JP2018050057A - Imaging element, imaging device, and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform image processing at high speed.SOLUTION: An imaging element according to an embodiment comprises: first and second pixel cells; second wiring branched from first wiring at a first branch point and electrically connected with the first pixel cell; third wiring branched from the first wiring at a second branch point and electrically connected with the second pixel cell; a first variable resistive element provided on the second wiring; a second variable resistive element provided on the third wiring; a third variable resistive element provided on the first wiring, between the first branch point and the second branch point; a plurality of first memory elements connected in parallel to the first branch point; and a plurality of second memory elements connected in parallel to the second branch point. Each of the first to third variable resistive elements may include a plurality of resistive elements connected in parallel to each other.SELECTED DRAWING: Figure 15

Description

本発明の実施形態は、撮像素子、撮像装置および半導体装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to an imaging element, an imaging apparatus, and a semiconductor device.

従来、画像認識技術では、基本処理として、画像の平滑化処理、異なる平滑度の画像に対する差分処理、差分処理後の極小値・極大値抽出(特徴点抽出)処理、特徴点近傍の光量値勾配情報などを計算する特徴量計算処理などの画像処理が行われる。   Conventionally, in image recognition technology, as basic processing, image smoothing processing, difference processing for images with different smoothness, minimum / maximum value extraction (feature point extraction) processing after difference processing, light intensity gradient near the feature point Image processing such as feature amount calculation processing for calculating information and the like is performed.

また、これらの処理を高速に行うための技術として、生体の網膜神経を模倣したシリコン網膜チップ技術がある。この技術では、半導体基板に作成される画素間をMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)により構成される可変抵抗回路を介して接続し、各画素間の平滑化処理を高速に行う。ただし、上記シリコン網膜チップでは、平滑化処理を高速化できる反面、半導体基板の画素領域内に可変抵抗回路を設けるため画素面積が増大し、通常のイメージセンサに比べて画素数が低下してしまう場合がある。   As a technique for performing these processes at high speed, there is a silicon retinal chip technique that mimics the retinal nerve of a living body. In this technique, pixels formed on a semiconductor substrate are connected via a variable resistance circuit composed of a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), and smoothing processing between the pixels is performed at high speed. However, in the silicon retina chip, the smoothing process can be speeded up. However, since the variable resistance circuit is provided in the pixel region of the semiconductor substrate, the pixel area is increased and the number of pixels is reduced as compared with a normal image sensor. There is a case.

井上恵介、亀田成司、八木哲也:“シリコン網膜とFPGAを用いた実時間並列画像処理”、情報メディア学会誌、Vol.61,No.3(2007)Keisuke Inoue, Seiji Kameda, Tetsuya Yagi: “Real-time parallel image processing using silicon retina and FPGA”, Journal of Information Media Society, Vol. 61, no. 3 (2007)

以下の実施形態では、画像処理を高速に行うことを可能にする撮像素子、撮像装置および半導体装置を提供することを目的とする。また、以下の実施形態の少なくとも一部では、シリコン網膜チップ技術を用いた場合と比較して、画素面積を増大させることなく画像の平滑化処理を高速に行うことを可能にすることを目的とする。   An object of the following embodiments is to provide an imaging device, an imaging device, and a semiconductor device that enable high-speed image processing. In addition, at least a part of the following embodiments aims to enable high-speed image smoothing without increasing the pixel area as compared with the case of using the silicon retina chip technology. To do.

実施形態にかかる撮像素子は、第1の配線と、前記第1の配線から第1の分岐点で分岐する第2の配線を介して前記第1の配線に電気的に接続され、第1の受光素子及び第1の走査回路を有する第1の画素セルと、前記第1の配線から前記第1の分岐点とは異なる第2の分岐点で分岐する第3の配線を介して前記第1の配線に電気的に接続され、第2の受光素子及び第2の走査回路を有する第2の画素セルと、前記第2の配線上であって、前記第1の分岐点と前記第1の画素セルとの間に電気的に接続された第1の可変抵抗素子と、前記第3の配線上であって、前記第2の分岐点と前記第2の画素セルとの間に電気的に接続された第2の可変抵抗素子と、前記第1の配線上であって、前記第1の分岐点と前記第2の分岐点との間に電気的に接続された第3の可変抵抗素子と、前記第1の分岐点に対して並列に接続され、それぞれ異なるトリガ信号に従って前記第1の分岐点の電位を記憶する複数の第1のメモリ素子と、前記第2の分岐点に対して並列に接続され、それぞれ異なるトリガ信号に従って前記第2の分岐点の電位を記憶する複数の第2のメモリ素子と、を備え、前記第1〜第3の可変抵抗素子それぞれは、互いに並列接続された複数の抵抗素子を含んでもよい。   The imaging device according to the embodiment is electrically connected to the first wiring via a first wiring and a second wiring that branches from the first wiring at a first branch point. The first pixel cell having a light receiving element and a first scanning circuit, and the first wiring through a third wiring that branches from the first wiring at a second branch point different from the first branch point. A second pixel cell electrically connected to the second wiring and having a second light receiving element and a second scanning circuit; and on the second wiring, the first branch point and the first A first variable resistance element electrically connected to the pixel cell; and electrically connected to the third wiring and between the second branch point and the second pixel cell. An electrically connected second variable resistance element and the first wiring on the first wiring and between the first branch point and the second branch point. A plurality of first memory elements connected in parallel to the first branch point and storing the potential of the first branch point according to different trigger signals, A plurality of second memory elements that are connected in parallel to the second branch point and store the potential of the second branch point according to different trigger signals, respectively, and the first to third variable resistors Each element may include a plurality of resistance elements connected in parallel to each other.

図1は、実施形態1にかかる撮像装置の概略構成を示す俯瞰図である。FIG. 1 is an overhead view showing a schematic configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. 図2は、実施形態1にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of the image sensor according to the first embodiment. 図3は、実施形態1において可変抵抗素子にMOSトランジスタを用いた撮像素子の概略構成例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of an imaging element using a MOS transistor as a variable resistance element in the first embodiment. 図4は、実施形態1にかかる半導体装置の断面構造例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional structure example of the semiconductor device according to the first embodiment. 図5は、実施形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す断面図である(その1)。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment (No. 1). 図6は、実施形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す断面図である(その2)。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment (No. 2). 図7は、実施形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す断面図である(その3)。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment (No. 3). 図8は、実施形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す断面図である(その4)。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment (No. 4). 図9は、実施形態1にかかる半導体装置の製造プロセスを示す断面図である(その5)。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment (No. 5). 図10は、実施形態2にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of the imaging element according to the second embodiment. 図11は、実施形態2にかかる半導体装置の断面構造例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a cross-sectional structure example of the semiconductor device according to the second embodiment. 図12は、実施形態3にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of the imaging element according to the third embodiment. 図13は、実施形態3にかかる半導体装置の断面構造例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of the semiconductor device according to the third embodiment. 図14は、実施形態4にかかる半導体装置の断面構造例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a cross-sectional structure example of the semiconductor device according to the fourth embodiment. 図15は、実施形態5にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of an imaging element according to the fifth embodiment. 図16は、実施形態5にかかるメモリ素子の第1例を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram illustrating a first example of the memory element according to Embodiment 5. 図17は、図16に示すメモリ素子の構造例を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a structural example of the memory element shown in FIG. 図18は、実施形態5にかかるメモリ素子の第2例を示す回路図である。FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a second example of the memory element according to Embodiment 5. 図19は、図18に示すメモリ素子の構造例を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a structural example of the memory element shown in FIG. 図20は、実施形態6にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of an image sensor according to the sixth embodiment. 図21は、実施形態7にかかる撮像装置の第1例を示す回路ブロック図である。FIG. 21 is a circuit block diagram illustrating a first example of an imaging apparatus according to the seventh embodiment. 図22は、実施形態7にかかる撮像装置の第2例を示す回路ブロック図である。FIG. 22 is a circuit block diagram illustrating a second example of the imaging apparatus according to the seventh embodiment. 図23は、実施形態7にかかる撮像装置の第3例を示す回路ブロック図である。FIG. 23 is a circuit block diagram illustrating a third example of the imaging apparatus according to the seventh embodiment. 図24は、実施形態8にかかるCMOSイメージセンサチップの構造例を示す俯瞰図である。FIG. 24 is a bird's-eye view showing a structural example of a CMOS image sensor chip according to the eighth embodiment. 図25は、実施形態9にかかる撮像装置の概略構成を示す俯瞰図である。FIG. 25 is an overhead view showing a schematic configuration of an imaging apparatus according to the ninth embodiment. 図26は、実施形態9にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。FIG. 26 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor as the imaging apparatus according to the ninth embodiment. 図27は、実施形態9にかかる可変抵抗素子の一例を示す回路図である。FIG. 27 is a circuit diagram illustrating an example of a variable resistance element according to the ninth embodiment. 図28は、図25に示す回路構成を実現するための半導体装置の断面構造例を示す図である。FIG. 28 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device for realizing the circuit configuration illustrated in FIG. 図29は、実施形態10にかかる抵抗変化メモリで構成された抵抗素子の例を示す回路図である。FIG. 29 is a circuit diagram illustrating an example of a resistance element including the resistance change memory according to the tenth embodiment. 図30は、実施形態10にかかる抵抗変化メモリで構成された抵抗素子の他の例を示す回路図である。FIG. 30 is a circuit diagram illustrating another example of the resistance element including the resistance change memory according to the tenth embodiment. 図31は、実施形態10にかかる抵抗変化メモリで構成された抵抗素子のさらに他の例を示す回路図である。FIG. 31 is a circuit diagram illustrating still another example of the resistance element including the resistance change memory according to the tenth embodiment. 図32は、実施形態10にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。FIG. 32 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor as the imaging apparatus according to the tenth embodiment. 図33は、実施形態10にかかる抵抗素子の構造例を示す図である。FIG. 33 is a diagram illustrating a structure example of a resistance element according to the tenth embodiment. 図34は、実施形態10にかかる抵抗素子の他の構造例を示す図である。FIG. 34 is a diagram illustrating another structure example of the resistance element according to the tenth embodiment. 図35は、実施形態10にかかる抵抗素子のさらに他の構造例を示す図である。FIG. 35 is a diagram illustrating still another structural example of the resistance element according to the tenth embodiment. 図36は、実施形態11にかかる3端子の可変抵抗メモリの構造例を示す図である。FIG. 36 is a diagram illustrating a structure example of a three-terminal variable resistance memory according to the eleventh embodiment. 図37は、実施形態11にかかる3端子の可変抵抗メモリの他の構造例を示す図である。FIG. 37 is a diagram illustrating another structure example of the three-terminal variable resistance memory according to the eleventh embodiment. 図38は、実施形態11にかかる3端子の可変抵抗メモリのさらに他の構造例を示す図である。FIG. 38 is a diagram illustrating still another example of the structure of the three-terminal variable resistance memory according to the eleventh embodiment. 図39は、実施形態11にかかる3端子の可変抵抗メモリのさらに他の構造例を示す図である。FIG. 39 is a diagram illustrating still another example of the structure of the three-terminal variable resistance memory according to the eleventh embodiment. 図40は、実施形態11にかかる3端子の抵抗変化メモリを用いて構成した可変抵抗素子の一例を示す回路図である。FIG. 40 is a circuit diagram illustrating an example of a variable resistance element configured using the three-terminal resistance change memory according to the eleventh embodiment. 図41は、実施形態13にかかる抵抗素子の構成例を示す回路図である。FIG. 41 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a resistance element according to the thirteenth embodiment. 図42は、実施形態13にかかる書込みバイアス電圧とセット数との関係を示す図である。FIG. 42 is a diagram illustrating the relationship between the write bias voltage and the number of sets according to the thirteenth embodiment. 図43は、実施形態13の変形例1にかかる抵抗素子の構成例を示す回路図である。FIG. 43 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a resistance element according to Modification 1 of Embodiment 13. 図44は、実施形態13の変形例1にかかる抵抗素子の構成例を示すレイアウト図である。FIG. 44 is a layout diagram illustrating a configuration example of a resistance element according to Modification 1 of Embodiment 13. 図45は、実施形態13の変形例2にかかる抵抗素子の構成例を示す回路図である。FIG. 45 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a resistance element according to Modification 2 of Embodiment 13. 図46は、実施形態13の変形例2にかかる抵抗素子の構造例を示す図である。FIG. 46 is a diagram illustrating a structure example of a resistance element according to the second modification of the thirteenth embodiment.

以下、添付図面を参照しながら、例示する実施形態にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を詳細に説明する。   Hereinafter, an imaging device, an imaging apparatus, and a semiconductor device according to exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(実施形態1)
まず、実施形態1にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を、図面を用いて詳細に説明する。図1は、実施形態1にかかる撮像装置の概略構成を示す俯瞰図である。図1に示すように、撮像装置1は、撮像素子としての画素アレイ11と、レジスタ12と、タイミング発生回路13と、ADC(Analog−to−Digital Converter)14と、DSP(Digital Signal Processor)15と、I/O(Input/Output)16とを備える。
(Embodiment 1)
First, an imaging device, an imaging device, and a semiconductor device according to Embodiment 1 will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an overhead view showing a schematic configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the imaging apparatus 1 includes a pixel array 11 as an imaging element, a register 12, a timing generation circuit 13, an ADC (Analog-to-Digital Converter) 14, and a DSP (Digital Signal Processor) 15. And an I / O (Input / Output) 16.

画素アレイ11は、それぞれ受光素子を含む複数の画素(以下、画素セルという)が2次元配列された撮像素子である。図2は、実施形態1にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。なお、図2には、1本の第1配線L2に2つの画素セル11Aおよび11Bが接続された構成を例示するが、図1における画素アレイ11は、複数の配線それぞれに複数の画素セルが接続された構成を有していてよい。   The pixel array 11 is an image sensor in which a plurality of pixels (hereinafter referred to as pixel cells) each including a light receiving element are two-dimensionally arranged. FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of the image sensor according to the first embodiment. 2 illustrates a configuration in which two pixel cells 11A and 11B are connected to one first wiring L2, but the pixel array 11 in FIG. 1 includes a plurality of pixel cells in each of a plurality of wirings. It may have a connected configuration.

図2に示すように、画素セル11Aは、受光部11aおよび走査回路11bを有している。受光部11aは、フォトダイオードPD1と、トランスファーゲートTG1とを含む。走査回路11bは、リセットトランジスタQ1と、増幅回路11cとを含む。増幅回路11cは、互いのソースが接続された2つのMOSFET(以下、MOSトランジスタという)Q2およびQ3より構成されたソースフォロア回路である。2つのMOSトランジスタQ2およびQ3のうち、MOSトランジスタQ2は受光部11aに蓄積された電荷に応じた電位を所定のゲインで増幅するアンプトランジスタであり、MOSトランジスタQ3は読出対象の画素セルを選択するためのスイッチングトランジスタである。以下、MOSトランジスタQ2をアンプトランジスタQ2といい、MOSトランジスタQ3をスイッチングトランジスタQ3という。尚、MOSトランジスタQ3は、アンプトランジスタであるMOSトランジスタQ2のソース側に接続されていてもよいし、受光部11aおよび走査回路11bよりなる画素部から省略されてもよい。   As shown in FIG. 2, the pixel cell 11A includes a light receiving portion 11a and a scanning circuit 11b. The light receiving unit 11a includes a photodiode PD1 and a transfer gate TG1. Scan circuit 11b includes a reset transistor Q1 and an amplifier circuit 11c. The amplifier circuit 11c is a source follower circuit composed of two MOSFETs (hereinafter referred to as MOS transistors) Q2 and Q3 connected to each other. Of the two MOS transistors Q2 and Q3, the MOS transistor Q2 is an amplifier transistor that amplifies a potential corresponding to the charge accumulated in the light receiving portion 11a with a predetermined gain, and the MOS transistor Q3 selects a pixel cell to be read. Switching transistor. Hereinafter, the MOS transistor Q2 is referred to as an amplifier transistor Q2, and the MOS transistor Q3 is referred to as a switching transistor Q3. The MOS transistor Q3 may be connected to the source side of the MOS transistor Q2, which is an amplifier transistor, or may be omitted from the pixel portion including the light receiving portion 11a and the scanning circuit 11b.

受光部11aにおけるフォトダイオードPD1のカソードは、トランスファーゲートTG1を介して、走査回路11bの増幅回路11cにおけるアンプトランジスタQ2のゲートに接続されている。フォトダイオードPD1は、入射した光を受光して電子に変換する。トランスファーゲートTG1は、フォトダイオードPD1に発生した電子をフローティングディフュージョン(FD)と呼ばれる電荷蓄積領域に転送する。その結果、電荷蓄積領域に入射光の強度に応じた電荷が蓄積される。   The cathode of the photodiode PD1 in the light receiving unit 11a is connected to the gate of the amplifier transistor Q2 in the amplifier circuit 11c of the scanning circuit 11b via the transfer gate TG1. The photodiode PD1 receives incident light and converts it into electrons. The transfer gate TG1 transfers electrons generated in the photodiode PD1 to a charge accumulation region called floating diffusion (FD). As a result, charges corresponding to the intensity of incident light are accumulated in the charge accumulation region.

アンプトランジスタQ2のゲートには、リセットトランジスタQ1を介して電源線Vddも接続されている。リセットトランジスタQ1のゲートには、電荷蓄積領域に蓄積された電荷をリセットするためのリセット信号Resetが印加される。すなわち、リセットトランジスタQ1は、受光部11a(画素)から信号を読み出す前に電荷蓄積領域の電位をリセットする役割を持つ。   The power supply line Vdd is also connected to the gate of the amplifier transistor Q2 via the reset transistor Q1. A reset signal Reset for resetting the charges accumulated in the charge accumulation region is applied to the gate of the reset transistor Q1. That is, the reset transistor Q1 has a role of resetting the potential of the charge accumulation region before reading a signal from the light receiving unit 11a (pixel).

また、増幅回路11cにおけるスイッチングトランジスタQ3のゲートには、受光部11aからの電荷読出を制御するアドレス信号Addressが入力される。増幅回路11cにおけるアンプトランジスタQ2のソースは、可変抵抗素子VR1を備える第2配線L1を介して第1配線L2のノードN1に接続される。したがって、トランスファーゲートTG1を介して電荷蓄積領域に蓄積された電荷に応じたゲート電位がアンプトランジスタQ2のゲートに発生する。増幅回路11cはソースフォロア回路11cであるため、アンプトランジスタQ2のゲートに発生したゲート電位は、アンプトランジスタQ2のソース電位に変換される。その結果、アンプトランジスタQ2のソース電位がフォトダイオードPD1で受光した光量に応じた電位となる。このソース電位は、第2配線L1上の可変抵抗素子VR1を介してノードN1に印加される。   An address signal Address for controlling charge reading from the light receiving portion 11a is input to the gate of the switching transistor Q3 in the amplifier circuit 11c. The source of the amplifier transistor Q2 in the amplifier circuit 11c is connected to the node N1 of the first wiring L2 via the second wiring L1 including the variable resistance element VR1. Therefore, a gate potential corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation region via the transfer gate TG1 is generated at the gate of the amplifier transistor Q2. Since the amplifier circuit 11c is the source follower circuit 11c, the gate potential generated at the gate of the amplifier transistor Q2 is converted into the source potential of the amplifier transistor Q2. As a result, the source potential of the amplifier transistor Q2 becomes a potential corresponding to the amount of light received by the photodiode PD1. This source potential is applied to the node N1 via the variable resistance element VR1 on the second wiring L1.

以上のような画素セル11Aの構成は、画素セル11Bおよび図示しないその他の画素セルに対しても同様である。したがって、たとえば画素セル11Bの場合、トランスファーゲートTG1に選択信号が印加されている最中にアドレス信号AddressがスイッチングトランジスタQ3のゲートに印加されると、電荷蓄積領域に蓄積された電荷に応じたアンプトランジスタQ2のゲート電位がソース電位に変換されて、第2配線L1上の可変抵抗素子VR1を介してノードN2に印加される。   The configuration of the pixel cell 11A as described above is the same for the pixel cell 11B and other pixel cells (not shown). Therefore, for example, in the case of the pixel cell 11B, when the address signal Address is applied to the gate of the switching transistor Q3 while the selection signal is applied to the transfer gate TG1, the amplifier corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation region The gate potential of the transistor Q2 is converted into the source potential and applied to the node N2 via the variable resistance element VR1 on the second wiring L1.

また、同一の第1配線L2に接続された複数の画素セルのうち隣接する画素セル(たとえば画素セル11Aおよび11B)間の第1配線L2上には、可変抵抗素子VR2が設けられる。たとえば、隣接する画素セル11Aおよび11Bが第1配線L2に接続するノードN1およびN2間には、可変抵抗素子VR2が設けられる。したがって、各ノードN1およびN2から周辺回路へ出力される電圧値(光量値)は、各第2配線L1上に設けられた可変抵抗素子VR1の抵抗値R1と、第1配線L2上の可変抵抗素子VR2の抵抗値R2との比R1/R2に応じて平滑化された値となる。なお、平滑化とは、隣接画素間の輝度値の差を和らげて画像中のエッジを滑らかにすることである。   In addition, a variable resistance element VR2 is provided on the first wiring L2 between adjacent pixel cells (for example, the pixel cells 11A and 11B) among the plurality of pixel cells connected to the same first wiring L2. For example, the variable resistance element VR2 is provided between the nodes N1 and N2 where the adjacent pixel cells 11A and 11B are connected to the first wiring L2. Therefore, the voltage value (light quantity value) output from each node N1 and N2 to the peripheral circuit is the resistance value R1 of the variable resistance element VR1 provided on each second wiring L1 and the variable resistance on the first wiring L2. The value is smoothed according to the ratio R1 / R2 with the resistance value R2 of the element VR2. Note that smoothing means smoothing an edge in an image by reducing a difference in luminance value between adjacent pixels.

比R1/R2が大きければ平滑度は大きく、R1/R2が小さければ平滑度は小さい。たとえば、抵抗値R2を抵抗値R1に対して非常に大きくした場合、各ノードN1およびN2から出力される電圧値(光量値)がほとんど平滑化されないため、実質的に生の画像データが画素アレイ11から読み出される。一方、抵抗値R2を抵抗値R1に対して小さくした場合、各ノードN1およびN2から出力される電圧値(光量値)が比較的強く平滑化されるため、大きく平滑化された画像データが画素アレイ11から読み出される。このように、比R1/R2を変化させることで、異なる平滑度の画像データを生成することが可能である。これにより、画素のアナログ平滑化および複数の異なる平滑度の画像情報からなるガウシアンピラミッドの作成を、画素アレイ11において画素面積の増加を極力抑えつつ行うことが可能となる。また、周辺回路部で異なる平滑度の画像の差分処理や、特徴点抽出ならびに特徴量抽出を行うことで、画像認識処理に必要な基本処理を高速に行うことが可能となる。たとえば、異なる平滑度の画像データとして画素アレイ11から読み出した2つの画像データに対して差分処理を実行することで、画像中のエッジを抽出した、いわゆるエッジ画像を高速に生成することが可能である。なお、異なる平滑度の画像の差分処理や、特徴点抽出処理ならびに特徴量抽出処理は、周辺回路に限らず、CPU(Central Processing Unit)などの情報処理装置において実行されたアプリケーションソフトウエアによって実行されてもよい。   If the ratio R1 / R2 is large, the smoothness is large, and if R1 / R2 is small, the smoothness is small. For example, when the resistance value R2 is very large with respect to the resistance value R1, voltage values (light quantity values) output from the nodes N1 and N2 are hardly smoothed, so that substantially raw image data is converted into a pixel array. 11 is read out. On the other hand, when the resistance value R2 is made smaller than the resistance value R1, the voltage values (light quantity values) output from the nodes N1 and N2 are relatively strongly smoothed. Read from array 11. In this way, it is possible to generate image data with different smoothness by changing the ratio R1 / R2. Thereby, analog smoothing of pixels and creation of a Gaussian pyramid composed of image information having a plurality of different smoothness levels can be performed while suppressing an increase in pixel area in the pixel array 11 as much as possible. Further, by performing differential processing of images with different smoothness, feature point extraction, and feature amount extraction in the peripheral circuit unit, it is possible to perform basic processing necessary for image recognition processing at high speed. For example, by performing difference processing on two pieces of image data read from the pixel array 11 as image data with different smoothness, a so-called edge image in which edges in the image are extracted can be generated at high speed. is there. Note that difference processing, feature point extraction processing, and feature amount extraction processing for images with different smoothness levels are performed not only by peripheral circuits but also by application software executed in an information processing apparatus such as a CPU (Central Processing Unit). May be.

なお、図2では、1次元方向に隣り合う画素セル間を可変抵抗素子VR2を介して接続しているが、上下左右に隣り合う画素セル間をそれぞれ可変抵抗素子VR2を介して接続してもよい。1次元方向に隣り合う画素セル間に可変抵抗素子VR2を介在させた場合、画素アレイ11から1次元平滑化された画像データを取り出すことができる。一方、上下左右に隣り合う画素セル間にそれぞれ可変抵抗素子VR2を介在させた場合、画素アレイ11から2次元平滑化された画像データを取り出すことができる。   In FIG. 2, pixel cells adjacent in the one-dimensional direction are connected via variable resistance element VR2. However, pixel cells adjacent in the vertical and horizontal directions may be connected via variable resistance element VR2. Good. When the variable resistance element VR <b> 2 is interposed between pixel cells adjacent in the one-dimensional direction, one-dimensionally smoothed image data can be extracted from the pixel array 11. On the other hand, when the variable resistance element VR2 is interposed between pixel cells adjacent vertically and horizontally, two-dimensionally smoothed image data can be extracted from the pixel array 11.

可変抵抗素子VR1およびVR2には、たとえばMOSトランジスタを用いることが可能である。ただし、MOSトランジスタに限られるものではなく、抵抗値を変化させることが可能である抵抗素子であれば如何様にも変形することができる。たとえば、ReRAM、MRAM、PRAM、イオンメモリ、アモルファスシリコンメモリ、ポリシリコンメモリなどの2端子可変抵抗素子を可変抵抗素子VR1およびVR2のうち少なくとも一方に用いることもできる。また、可変抵抗素子VR1およびVR2それぞれの代わりに、配線層11Lに複数のトランジスタからなる可変抵抗回路を設けることも可能である。さらに、異なる抵抗値を持つ複数の抵抗素子アレイを切り替えることで抵抗値を変更するように構成することも可能である。   For example, MOS transistors can be used for the variable resistance elements VR1 and VR2. However, the present invention is not limited to the MOS transistor, and can be modified in any manner as long as it is a resistance element capable of changing the resistance value. For example, a two-terminal variable resistance element such as ReRAM, MRAM, PRAM, ion memory, amorphous silicon memory, or polysilicon memory can be used as at least one of the variable resistance elements VR1 and VR2. Further, instead of each of the variable resistance elements VR1 and VR2, a variable resistance circuit including a plurality of transistors may be provided in the wiring layer 11L. Further, it is possible to change the resistance value by switching a plurality of resistance element arrays having different resistance values.

図3は、可変抵抗素子にMOSトランジスタが用いられた撮像素子の概略構成例を示す回路図である。図3に示すように、可変抵抗素子VR1およびVR2として用いられるMOSトランジスタQR1およびQR2は、それぞれ隣接する画素間(たとえば画素セル11Aおよび11B間)を接続する配線層11Lに設けられている。図4に、図3に示す回路構成を実現するための半導体装置の断面構造例を示す。なお、図4では、説明の都合上、リセットトランジスタQ1および増幅回路11cにおけるスイッチングトランジスタQ3を省略している。また、図4では、裏面照射型の半導体装置が示されているが、これに限られず、表面照射型の半導体装置であってもよい。   FIG. 3 is a circuit diagram showing a schematic configuration example of an imaging element in which a MOS transistor is used as a variable resistance element. As shown in FIG. 3, MOS transistors QR1 and QR2 used as variable resistance elements VR1 and VR2 are provided in wiring layer 11L that connects adjacent pixels (for example, between pixel cells 11A and 11B). FIG. 4 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device for realizing the circuit configuration shown in FIG. In FIG. 4, for convenience of explanation, the reset transistor Q1 and the switching transistor Q3 in the amplifier circuit 11c are omitted. 4 illustrates a back-illuminated semiconductor device, the present invention is not limited to this, and a front-illuminated semiconductor device may be used.

図4の半導体装置に示すように、1つの画素セル11Aは、マトリクス状に配置されたフォトダイオードPD1とトランスファーゲートTG1とアンプトランジスタQ2とが第1面(これを上面とする)に形成された半導体基板113を有する。半導体基板113の第2面(これを裏面とする)には、カラーフィルタ112が接合されている。また、カラーフィルタ112における半導体基板113との接合面の反対側の面には、フォトダイオードPD1と位置合わせされたマイクロレンズ111が設けられている。なお、マイクロレンズ111からフォトダイオードPD1までは、カラーフィルタ112に応じた特定波長の光を通過させることができる。たとえば、マイクロレンズ111とフォトダイオードPD1との間の半導体基板113にスルーホールが形成されていてもよいし、半導体基板113に透明基板が用いられていてもよい。   As shown in the semiconductor device of FIG. 4, in one pixel cell 11A, a photodiode PD1, a transfer gate TG1, and an amplifier transistor Q2 arranged in a matrix are formed on the first surface (this is the upper surface). A semiconductor substrate 113 is included. The color filter 112 is bonded to the second surface of the semiconductor substrate 113 (this is the back surface). In addition, a micro lens 111 aligned with the photodiode PD1 is provided on the surface of the color filter 112 opposite to the bonding surface with the semiconductor substrate 113. Note that light having a specific wavelength corresponding to the color filter 112 can pass from the microlens 111 to the photodiode PD1. For example, a through hole may be formed in the semiconductor substrate 113 between the microlens 111 and the photodiode PD1, or a transparent substrate may be used as the semiconductor substrate 113.

半導体基板113の上面上には、コンタクト層114が形成される。このコンタクト層114には、アンプトランジスタQ2のソースを電気的に引き出すためのビアが形成されている。このビアの上部には、上層とのアライメントを容易化するためのパッドが形成されていてもよい。また、コンタクト層114上には、層間の原子拡散を防止するための拡散防止膜115が形成されている。   A contact layer 114 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 113. In the contact layer 114, a via for electrically extracting the source of the amplifier transistor Q2 is formed. A pad for facilitating alignment with the upper layer may be formed on the upper portion of the via. Further, a diffusion preventing film 115 for preventing atomic diffusion between layers is formed on the contact layer 114.

拡散防止膜115上には、層間絶縁膜116、118およびパッシベーション120よりなる配線層11Lが形成される。具体的には、拡散防止膜115上には、層間絶縁膜116および118が形成されている。層間絶縁膜116および118の間にはゲート絶縁膜117が形成され、このゲート絶縁膜117を挟んでMOSトランジスタQR1(図3参照)が形成されている。また、拡散防止膜115、層間絶縁膜116、ゲート絶縁膜117および層間絶縁膜118には、第2配線L1の一部として、コンタクト層114の上部まで電気的に引き出されたビアをMOSトランジスタQR1のドレインに電気的に接続するためのビアおよび配線層が形成されている。   On the diffusion prevention film 115, a wiring layer 11L composed of interlayer insulating films 116 and 118 and a passivation 120 is formed. Specifically, interlayer insulating films 116 and 118 are formed on diffusion preventing film 115. A gate insulating film 117 is formed between the interlayer insulating films 116 and 118, and a MOS transistor QR1 (see FIG. 3) is formed with the gate insulating film 117 interposed therebetween. The diffusion prevention film 115, the interlayer insulating film 116, the gate insulating film 117, and the interlayer insulating film 118 are provided with vias that are electrically drawn up to the top of the contact layer 114 as a part of the second wiring L1, in the MOS transistor QR1. Vias and wiring layers are formed for electrical connection to the drains.

MOSトランジスタQR1のソースは、層間絶縁膜118に形成されたビアを介して層間絶縁膜118上まで電気的に引き出されている。このビアの上部には、上層とのアライメントを容易化するためのパッドが形成されていてもよい。層間絶縁膜118上には、ゲート絶縁膜119とパッシベーション120とが形成されている。   The source of the MOS transistor QR1 is electrically drawn up to the top of the interlayer insulating film 118 through a via formed in the interlayer insulating film 118. A pad for facilitating alignment with the upper layer may be formed on the upper portion of the via. A gate insulating film 119 and a passivation 120 are formed on the interlayer insulating film 118.

図3における第1配線L2は、パッシベーション120に形成され、MOSトランジスタQR2は、ゲート絶縁膜119を挟んで形成されている。層間絶縁膜118上まで電気的に引き出されたMOSトランジスタQR1のソースは、ゲート絶縁膜119およびパッシベーション120に、第2配線L2の一部として形成されたビアを介して第1配線L2に電気的に接続される。また、第1配線L2のノードN1は、パッシベーション120に形成されたビアを介してパッシベーション120表面まで電気的に引き出されている。このビアの上部には、他の基板(たとえば回路基板)に対する接合時のアライメントを容易化するためのパッドが形成されていてもよい。   The first wiring L2 in FIG. 3 is formed in the passivation 120, and the MOS transistor QR2 is formed with the gate insulating film 119 interposed therebetween. The source of the MOS transistor QR1, which is electrically drawn up to the top of the interlayer insulating film 118, is electrically connected to the first wiring L2 through the gate insulating film 119 and the passivation 120 through a via formed as part of the second wiring L2. Connected to. Further, the node N1 of the first wiring L2 is electrically drawn out to the surface of the passivation 120 through a via formed in the passivation 120. A pad for facilitating alignment at the time of bonding to another substrate (for example, a circuit substrate) may be formed on the via.

なお、MOSトランジスタQR1およびQR2に用いた半導体層は、たとえばInGaZnOやZnOなどの酸化物半導体であってもよいし、Poly−Si、アモルファスSi、SiGeなどであってもよい。この半導体層は、複数の異なる種の膜より構成される積層膜であってもよい。積層膜としては、たとえばInGaZnO/Al/InGaZnO/Alなどを用いることができる。また、層間絶縁膜116、118およびパッシベーション120に形成されたビアおよび配線層には、金属配線や不純物がドープされた半導体層など、種々の導電層を用いることができる。 The semiconductor layer used for the MOS transistors QR1 and QR2 may be an oxide semiconductor such as InGaZnO or ZnO, or may be Poly-Si, amorphous Si, SiGe, or the like. The semiconductor layer may be a laminated film composed of a plurality of different types of films. As the laminated film, for example, InGaZnO / Al 2 O 3 / InGaZnO / Al 2 O 3 can be used. For the vias and wiring layers formed in the interlayer insulating films 116 and 118 and the passivation 120, various conductive layers such as a metal wiring or a semiconductor layer doped with impurities can be used.

以上のように、半導体基板113上に形成した配線層11Lに可変抵抗素子VR1およびVR2としてのMOSトランジスタQR1およびQR2を設けることで、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。   As described above, by providing the MOS transistors QR1 and QR2 as the variable resistance elements VR1 and VR2 in the wiring layer 11L formed on the semiconductor substrate 113, the smoothing process of the image data is performed without increasing the pixel area. Can be performed at high speed.

なお、図4に示す断面構造は一例に過ぎず、たとえば配線層11Lに形成されたMOSトランジスタQR1およびQR2の構造はこの限りではない。たとえば、MOSトランジスタQR1およびQR2は、半導体層の上下にゲート電極を設けたダブルゲート構造であってもよい。また、各配線の断面配置も、図4に示す位置に限られない。たとえば、下層に位置するMOSトランジスタQR1のゲート幅方向と上層に位置するMOSトランジスタQR2のゲート幅方向とが直交するように配置されていてもよい。さらに、半導体基板113に形成されている各トランジスタ(フォトダイオードPD1を含む)の並び等も図4に示す配置に限られない。   Note that the cross-sectional structure shown in FIG. 4 is merely an example, and the structures of the MOS transistors QR1 and QR2 formed in the wiring layer 11L, for example, are not limited to this. For example, MOS transistors QR1 and QR2 may have a double gate structure in which gate electrodes are provided above and below a semiconductor layer. Further, the cross-sectional arrangement of each wiring is not limited to the position shown in FIG. For example, the gate width direction of the MOS transistor QR1 located in the lower layer and the gate width direction of the MOS transistor QR2 located in the upper layer may be arranged to be orthogonal to each other. Furthermore, the arrangement of the transistors (including the photodiode PD1) formed on the semiconductor substrate 113 is not limited to the arrangement shown in FIG.

つぎに、実施形態1にかかる半導体装置の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。図5〜図9は、たとえば図4に示した半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図である。なお、図5〜図9は、図4に示した半導体装置の製造方法の一例を示すものであり、これらのプロセスに限られるものではない。   Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described in detail with reference to the drawings. 5 to 9 are process cross-sectional views showing a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 4, for example. 5 to 9 show an example of a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 4 and are not limited to these processes.

まず、図5に示すように、従来のCMOSイメージセンサと同様に、半導体基板113の上面に素子分離層131を形成し、ゲート絶縁膜136およびゲート電極135を順次形成する。つづいて、マスクもしくはセルフアラインによるイオン注入にてn型のドーパントおよびp型のドーパントを半導体基板113上面の適宜所定の領域に注入することで、n+型のドープ領域132とp+型のドープ領域133とを形成する。つづいて、半導体基板113上に絶縁層であるコンタクト層114aを形成し、このコンタクト層114aにMOSトランジスタQ2のソースを電気的に引き出すためのビア137を形成する。つづいて、ビア137が形成されたコンタクト層114a上にパッド138を形成し、パッド138が形成されたコンタクト層114a上にコンタクト層114bを形成した後、たとえばCMPにてパッド138の上面を露出させる。その後、平坦化されたコンタクト層114b上に拡散防止膜115を形成する。   First, as shown in FIG. 5, similarly to the conventional CMOS image sensor, the element isolation layer 131 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 113, and the gate insulating film 136 and the gate electrode 135 are sequentially formed. Subsequently, an n-type dopant and a p-type dopant are implanted into a predetermined region on the upper surface of the semiconductor substrate 113 by ion implantation using a mask or self-alignment, whereby an n + type doped region 132 and a p + type doped region 133 are implanted. And form. Subsequently, a contact layer 114a, which is an insulating layer, is formed on the semiconductor substrate 113, and a via 137 for electrically extracting the source of the MOS transistor Q2 is formed in the contact layer 114a. Subsequently, a pad 138 is formed on the contact layer 114a in which the via 137 is formed, and a contact layer 114b is formed on the contact layer 114a in which the pad 138 is formed, and then the upper surface of the pad 138 is exposed by, for example, CMP. . Thereafter, a diffusion prevention film 115 is formed on the planarized contact layer 114b.

つぎに、図6に示すように、拡散防止膜115上に層間絶縁膜116を形成し、この層間絶縁膜116にパッド138を電気的に引き出すビア139を形成する。つぎに、ビア139上にパッド140を形成するとともに、MOSトランジスタQR1のゲート電極141を形成する。なお、パッド140およびゲート電極141には、たとえば銅(Cu)などの金属が用いられてもよい。つづいて、ゲート電極141上にゲート絶縁膜117をプラズマCVD法などで形成する。   Next, as shown in FIG. 6, an interlayer insulating film 116 is formed on the diffusion prevention film 115, and a via 139 is formed in the interlayer insulating film 116 to electrically draw the pad 138. Next, the pad 140 is formed on the via 139 and the gate electrode 141 of the MOS transistor QR1 is formed. For pad 140 and gate electrode 141, for example, a metal such as copper (Cu) may be used. Subsequently, a gate insulating film 117 is formed on the gate electrode 141 by a plasma CVD method or the like.

つぎに、図7に示すように、ゲート絶縁膜117上に半導体層142aを形成し、エッチングにより選択的に除去する。この際、半導体層142aがInGaZnOなどの酸化物半導体である場合は、たとえばスパッタリング法で形成することができる。また、半導体層142aがポリシリコンやアモルファスシリコンなどである場合は、たとえばプラズマCVD法で形成することができる。   Next, as shown in FIG. 7, a semiconductor layer 142a is formed on the gate insulating film 117 and selectively removed by etching. At this time, in the case where the semiconductor layer 142a is an oxide semiconductor such as InGaZnO, it can be formed by, for example, a sputtering method. When the semiconductor layer 142a is polysilicon, amorphous silicon, or the like, it can be formed by, for example, a plasma CVD method.

つぎに、図8に示すように、半導体層142a上にマスクパターン142bを形成し、イオン注入法により半導体層142aにドーパントを注入することで、チャネル領域141を形成するとともに、半導体層142aにソース領域143およびドレイン領域143を形成する。この際、半導体層142aが酸化物半導体である場合は、水素プラズマなどの還元性プラズマにより酸素欠陥領域を形成する方法や、アンモニアなどの窒素含有プラズマにより窒素を導入する方法により、ソース領域143およびドレイン領域143を形成することができる。また、半導体層142aがPoly−SiやアモルファスSiやSiGeの場合は、リン、砒素、ボロンなどの不純物インプラによりソース領域143およびドレイン領域143を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 8, a mask pattern 142b is formed on the semiconductor layer 142a and a dopant is implanted into the semiconductor layer 142a by an ion implantation method, thereby forming a channel region 141 and a source in the semiconductor layer 142a. Region 143 and drain region 143 are formed. At this time, in the case where the semiconductor layer 142a is an oxide semiconductor, the source region 143 and the source region 143 are formed by a method of forming an oxygen defect region using a reducing plasma such as hydrogen plasma or a method of introducing nitrogen using a nitrogen-containing plasma such as ammonia. A drain region 143 can be formed. In the case where the semiconductor layer 142a is Poly-Si, amorphous Si, or SiGe, the source region 143 and the drain region 143 can be formed by impurity implantation such as phosphorus, arsenic, or boron.

つぎに、図9に示すように、マスクパターン142bを除去した後、ソース領域143およびドレイン領域143とパッド140とに重なるようにそれぞれビア144および145ならびに配線層146を形成する。   Next, as shown in FIG. 9, after removing the mask pattern 142b, vias 144 and 145 and a wiring layer 146 are formed so as to overlap the source region 143, the drain region 143, and the pad 140, respectively.

つぎに、上記の図6〜図9と同様の工程を行うことで、上層のMOSトランジスタQR2を形成し、これらのMOSトランジスタQR2を金属層などの配線層L2などで接続することで、図4に示すような断面構造の半導体装置が製造される。   Next, an upper layer MOS transistor QR2 is formed by performing the same steps as those in FIGS. 6 to 9 described above, and these MOS transistors QR2 are connected by a wiring layer L2 such as a metal layer, so that FIG. A semiconductor device having a cross-sectional structure as shown in FIG.

以上のように、実施形態1によれば、隣接する画素(たとえば画素セル11Aおよび11B)間を可変抵抗素子VR2で接続した構成を有するため、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。   As described above, according to the first embodiment, since the adjacent pixels (for example, the pixel cells 11A and 11B) are connected by the variable resistance element VR2, the smoothing process of the image data without increasing the pixel area is performed. Can be performed at high speed by analog processing.

また、シリコン網膜チップを用いた場合には、専用に画素レイアウトを作り変える必要が生じてしまう可能性も存在するが、実施形態1は配線層11Lに可変抵抗素子VR2を作り込む構成であるため、画素アレイ11の画素レイアウトを実質的に変更することなく、画像認識に必要な基本処理機能を有した撮像素子を実現することができる。   In addition, when the silicon retina chip is used, there is a possibility that the pixel layout needs to be changed exclusively. However, since the first embodiment has a configuration in which the variable resistance element VR2 is formed in the wiring layer 11L. An image sensor having a basic processing function necessary for image recognition can be realized without substantially changing the pixel layout of the pixel array 11.

なお、異なる平滑度の画像に対する差分処理、差分処理後の極小値・極大値抽出(特徴点抽出)処理、特徴点近傍の光量値勾配情報などを計算する特徴量計算処理などの画像処理は、周辺回路部もしくは撮像素子外部で行われてよいものであるため、ここでは詳細な説明を省略する。   Image processing such as difference processing for images with different smoothness, minimum / maximum value extraction (feature point extraction) processing after difference processing, feature amount calculation processing for calculating light amount value gradient information in the vicinity of feature points, etc. Since it may be performed outside the peripheral circuit unit or the imaging device, detailed description is omitted here.

(実施形態2)
つぎに、実施形態2にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 2)
Next, an imaging device, an imaging apparatus, and a semiconductor device according to Embodiment 2 will be described in detail with reference to the drawings.

上述したように、画素アレイ11から読み出される画像データの平滑度は、可変抵抗素子VR1およびVR2の抵抗比R1/R2で決まる。この抵抗比R1/R2は、抵抗値R1およびR2のうち少なくとも一方を変化させることで調整することができる。言い換えれば、抵抗値R1およびR2のうち一方を固定値とすることができる。そこで、実施形態2では、第2配線L1上の可変抵抗素子VR1の代わりに、抵抗値が非可変の非可変抵抗素子を用いる。ただし、これに限らず、第1配線L2上の可変抵抗素子VR2の代わりに、非可変抵抗素子を用いてもよい。   As described above, the smoothness of the image data read from the pixel array 11 is determined by the resistance ratio R1 / R2 of the variable resistance elements VR1 and VR2. The resistance ratio R1 / R2 can be adjusted by changing at least one of the resistance values R1 and R2. In other words, one of the resistance values R1 and R2 can be a fixed value. Therefore, in the second embodiment, a non-variable resistance element having a non-variable resistance value is used instead of the variable resistance element VR1 on the second wiring L1. However, the present invention is not limited to this, and a non-variable resistive element may be used instead of the variable resistive element VR2 on the first wiring L2.

図10は、実施形態2にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。図10と図3とを比較すると明らかなように、実施形態2では、画素セル11Aおよび11Bと第1配線L2とを結ぶ第2配線L1上のMOSトランジスタQR1が、非可変抵抗素子RR1に置き換えられている。その他の構成は、図3に示す撮像素子と同様であってよい。   FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of the imaging element according to the second embodiment. As is clear from comparison between FIG. 10 and FIG. 3, in the second embodiment, the MOS transistor QR1 on the second wiring L1 connecting the pixel cells 11A and 11B and the first wiring L2 is replaced with a non-variable resistive element RR1. It has been. Other configurations may be the same as those of the image sensor shown in FIG.

図11に、図10に示す回路構成を実現するための半導体装置の断面構造例を示す。なお、図11においても、図4と同様に、リセットトランジスタQ1および増幅回路11cにおけるスイッチングトランジスタQ3を省略している。また、図11では、裏面照射型の半導体装置が示されているが、これに限られず、表面照射型の半導体装置であってもよい。   FIG. 11 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device for realizing the circuit configuration shown in FIG. Also in FIG. 11, the reset transistor Q1 and the switching transistor Q3 in the amplifier circuit 11c are omitted as in FIG. In FIG. 11, a back-illuminated semiconductor device is shown. However, the present invention is not limited to this, and a front-illuminated semiconductor device may be used.

図11と図4とを比較すると明らかなように、実施形態2では、配線層11Lにおける下層側のゲート絶縁膜117が省略され、層間絶縁膜116上に、MOSトランジスタQR1の代わりに非可変抵抗素子RR1が形成された構成を有する。非可変抵抗素子RR1は、たとえば半導体層であってよい。この半導体層は、InGaZnOなどの酸化物半導体であってもよいし、Poly−Si、アモルファスSi、SiGeなどであってもよい。また、半導体層全体に酸素欠陥領域や不純物領域が設けられてもよい。   As is clear from comparison between FIG. 11 and FIG. 4, in the second embodiment, the lower gate insulating film 117 in the wiring layer 11L is omitted, and a non-variable resistor is provided on the interlayer insulating film 116 instead of the MOS transistor QR1. The element RR1 is formed. Non-variable resistance element RR1 may be, for example, a semiconductor layer. This semiconductor layer may be an oxide semiconductor such as InGaZnO, or may be Poly-Si, amorphous Si, SiGe, or the like. Further, an oxygen defect region or an impurity region may be provided in the entire semiconductor layer.

以上のように、実施形態2によれば、上述した実施形態と同様に、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。また、シリコン網膜チップを用いた場合でも、画素アレイ11の画素レイアウトを実質的に変更することなく、画像認識に必要な基本処理機能を有した撮像素子を実現することができる。   As described above, according to the second embodiment, similarly to the above-described embodiments, it is possible to perform smoothing processing of image data at high speed by analog processing without increasing the pixel area. Even when a silicon retina chip is used, an image sensor having a basic processing function necessary for image recognition can be realized without substantially changing the pixel layout of the pixel array 11.

さらに、実施形態2では、可変抵抗素子VR1およびVR2のいずれかに単純構造の非可変抵抗素子を用いているため、製造における工程数を少なくすることができる。   Furthermore, in the second embodiment, since a non-variable resistive element having a simple structure is used for either of the variable resistive elements VR1 and VR2, the number of manufacturing steps can be reduced.

なお、その他の撮像素子、撮像装置および半導体装置の構成、製造方法および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   The configurations, manufacturing methods, and effects of other imaging elements, imaging devices, and semiconductor devices are the same as those in the above-described embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.

(実施形態3)
つぎに、実施形態3にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 3)
Next, an imaging device, an imaging apparatus, and a semiconductor device according to Embodiment 3 will be described in detail with reference to the drawings.

図12は、実施形態3にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。図12と図3とを比較すると明らかなように、実施形態3は実施形態1と同様の回路構成を有する。ただし、実施形態3では、増幅回路11cにおけるアンプトランジスタQ2が、配線層11Lに相当する配線層31L内に設けられている。   FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of the imaging element according to the third embodiment. As is clear from a comparison between FIG. 12 and FIG. 3, the third embodiment has a circuit configuration similar to that of the first embodiment. However, in the third embodiment, the amplifier transistor Q2 in the amplifier circuit 11c is provided in the wiring layer 31L corresponding to the wiring layer 11L.

図13に、図12に示す回路構成を実現するための半導体装置の断面構造例を示す。なお、図13においても、図4と同様に、リセットトランジスタQ1および増幅回路11cにおけるスイッチングトランジスタQ3を省略している。また、図13では、裏面照射型の半導体装置が示されているが、これに限られず、表面照射型の半導体装置であってもよい。   FIG. 13 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device for realizing the circuit configuration shown in FIG. In FIG. 13, as in FIG. 4, the reset transistor Q1 and the switching transistor Q3 in the amplifier circuit 11c are omitted. Although FIG. 13 illustrates a back-illuminated semiconductor device, the present invention is not limited to this, and a front-illuminated semiconductor device may be used.

図13と図4とを比較すると明らかなように、実施形態3では、層間絶縁膜116とゲート絶縁膜117との間に、ゲート絶縁膜317および層間絶縁膜318が設けられ、このゲート絶縁膜317を挟んでアンプトランジスタQ2が形成されている。また、コンタクト層114、拡散防止膜115、層間絶縁膜116、ゲート絶縁膜317および層間絶縁膜318には、トランスファーゲートTG1とアンプトランジスタQ2とを接続する接続配線L3が形成されている。その他の構成は、図4に示す半導体装置と同様であってよい。   As is clear from comparison between FIG. 13 and FIG. 4, in the third embodiment, a gate insulating film 317 and an interlayer insulating film 318 are provided between the interlayer insulating film 116 and the gate insulating film 117. An amplifier transistor Q2 is formed across 317. In the contact layer 114, the diffusion preventing film 115, the interlayer insulating film 116, the gate insulating film 317, and the interlayer insulating film 318, a connection wiring L3 that connects the transfer gate TG1 and the amplifier transistor Q2 is formed. Other structures may be the same as those of the semiconductor device shown in FIG.

以上のように、実施形態3によれば、上述した実施形態と同様に、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。また、シリコン網膜チップを用いた場合でも、画素アレイ11の画素レイアウトを実質的に変更することなく、画像認識に必要な基本処理機能を有した撮像素子を実現することができる。   As described above, according to the third embodiment, similarly to the above-described embodiment, it is possible to perform smoothing processing of image data at high speed by analog processing without increasing the pixel area. Even when a silicon retina chip is used, an image sensor having a basic processing function necessary for image recognition can be realized without substantially changing the pixel layout of the pixel array 11.

さらに、実施形態3では、アンプトランジスタQ2が配線層31L内に設けられているため、画素面積を縮小することができる。もしくは、画素面積を維持しつつフォトダイオードPD1の受光面積などを大きくすることが可能となり、画素感度や飽和電子数などを向上することができる。   Furthermore, in the third embodiment, since the amplifier transistor Q2 is provided in the wiring layer 31L, the pixel area can be reduced. Alternatively, the light receiving area of the photodiode PD1 can be increased while maintaining the pixel area, and the pixel sensitivity and the number of saturated electrons can be improved.

なお、その他の撮像素子、撮像装置および半導体装置の構成、製造方法および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   Note that the configurations, manufacturing methods, and effects of other imaging elements, imaging devices, and semiconductor devices are the same as those in the above-described embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.

(実施形態4)
つぎに、実施形態4にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 4)
Next, an imaging device, an imaging apparatus, and a semiconductor device according to Embodiment 4 will be described in detail with reference to the drawings.

上述した実施形態1では、可変抵抗素子VR1およびVR2としてMOSトランジスタQ2およびQ3を用いたが、これに限られるものではない。たとえば可変抵抗素子VR1およびVR2として、ReRAM(Resistance Random Access Memory)、PRAM(Phase change RAM)、MRAM(Magnetoresistive RAM)、アモルファスSi、Poly−Si、またはそれらの材料と金属との積層構造を用いることも可能である。   In the first embodiment described above, the MOS transistors Q2 and Q3 are used as the variable resistance elements VR1 and VR2. However, the present invention is not limited to this. For example, as the variable resistance elements VR1 and VR2, a ReRAM (Resistance Random Access Memory), a PRAM (Phase change RAM), an MRAM (Magnetic Resistive RAM), amorphous Si, Poly-Si, or a stacked structure of these materials and metals is used. Is also possible.

図14に、実施形態4にかかる撮像素子の回路構成を実現するための半導体装置の断面構造例を示す。なお、図14においても、図4と同様に、リセットトランジスタQ1および増幅回路11cにおけるスイッチングトランジスタQ3を省略している。また、図14では、裏面照射型の半導体装置が示されているが、これに限られず、表面照射型の半導体装置であってもよい。   FIG. 14 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device for realizing the circuit configuration of the image sensor according to the fourth embodiment. In FIG. 14, as in FIG. 4, the reset transistor Q1 and the switching transistor Q3 in the amplifier circuit 11c are omitted. 14 illustrates a back-illuminated semiconductor device, the present invention is not limited to this, and a front-illuminated semiconductor device may be used.

図14と図4とを比較すると明らかなように、実施形態2では、配線層11Lに相当する配線層41Lにおけるゲート絶縁膜117および119が省略され、層間絶縁膜118に可変抵抗素子VR1およびVR2が形成された構成を有する。   As apparent from comparison between FIG. 14 and FIG. 4, in the second embodiment, the gate insulating films 117 and 119 in the wiring layer 41L corresponding to the wiring layer 11L are omitted, and the variable resistance elements VR1 and VR2 are provided in the interlayer insulating film 118. Is formed.

以上のように、実施形態4によれば、上述した実施形態と同様に、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。また、シリコン網膜チップを用いた場合でも、画素アレイ11の画素レイアウトを実質的に変更することなく、画像認識に必要な基本処理機能を有した撮像素子を実現することができる。   As described above, according to the fourth embodiment, similarly to the above-described embodiment, it is possible to perform smoothing processing of image data at high speed by analog processing without increasing the pixel area. Even when a silicon retina chip is used, an image sensor having a basic processing function necessary for image recognition can be realized without substantially changing the pixel layout of the pixel array 11.

なお、その他の撮像素子、撮像装置および半導体装置の構成、製造方法および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   The configurations, manufacturing methods, and effects of other imaging elements, imaging devices, and semiconductor devices are the same as those in the above-described embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.

(実施形態5)
つぎに、実施形態5にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 5)
Next, an imaging device, an imaging apparatus, and a semiconductor device according to Embodiment 5 will be described in detail with reference to the drawings.

図15は、実施形態5にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。図15と図3とを比較すると明らかなように、実施形態5にかかる画素セル11Aおよび11Bは、実施形態1と同様の回路構成を有していてよい。ただし、実施形態5では、各ノードN1およびN2に接続された第1配線L5に1つ以上(図15では5つ)のメモリ素子M1〜M5がそれぞれ第2配線L6を介して接続されている。なお、画素セルの構成は、図3に示す実施形態1にかかる回路構成に限られず、他の実施形態にかかる回路構成であってもよい。   FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of an imaging element according to the fifth embodiment. As is clear when FIG. 15 is compared with FIG. 3, the pixel cells 11 </ b> A and 11 </ b> B according to the fifth embodiment may have a circuit configuration similar to that of the first embodiment. However, in the fifth embodiment, one or more (five in FIG. 15) memory elements M1 to M5 are connected to the first wiring L5 connected to the nodes N1 and N2 via the second wiring L6, respectively. . The configuration of the pixel cell is not limited to the circuit configuration according to the first embodiment illustrated in FIG. 3, and may be a circuit configuration according to another embodiment.

あるノード(これをノードN1とする)に接続された各メモリ素子M1〜M5には、画素セル11Aから異なる抵抗比R1/R2(すなわち、異なる平滑度)で平滑化されつつ読み出された画素情報(たとえば画素値)がアナログデータとして記憶される。たとえば、メモリ素子M1には最も低い平滑度で平滑化された画素情報が記憶され、メモリ素子M2にはメモリ素子M1に記憶された画素情報よりも高い平滑度で平滑化された画素情報が記憶され、メモリ素子M3にはメモリ素子M2に記憶された画素情報よりも高い平滑度で平滑化された画素情報が記憶され、メモリ素子M4にはメモリ素子M3に記憶された画素情報よりも高い平滑度で平滑化された画素情報が記憶され、メモリ素子M5には最も高い平滑度で平滑化された画素情報が記憶される。したがって、全てのノードそれぞれに接続されたメモリ素子M1〜M5から順番に画素情報を順次読み出すことで、異なる平滑度で平滑化された画像データを読み出すことができる。ただし、平滑度とメモリ素子M1〜M5との対応は、上述の順序に限られない。   Pixels read out from the pixel cell 11A while being smoothed with different resistance ratios R1 / R2 (that is, with different smoothness) from each of the memory elements M1 to M5 connected to a certain node (referred to as a node N1). Information (for example, pixel values) is stored as analog data. For example, the pixel information smoothed with the lowest smoothness is stored in the memory element M1, and the pixel information smoothed with a higher smoothness than the pixel information stored in the memory element M1 is stored in the memory element M2. The memory element M3 stores pixel information smoothed with higher smoothness than the pixel information stored in the memory element M2, and the memory element M4 stores higher smoothness than the pixel information stored in the memory element M3. Pixel information smoothed at a degree is stored, and pixel information smoothed at the highest degree of smoothness is stored in the memory element M5. Accordingly, the image data smoothed with different smoothness can be read by sequentially reading the pixel information sequentially from the memory elements M1 to M5 connected to all the nodes. However, the correspondence between the smoothness and the memory elements M1 to M5 is not limited to the order described above.

各メモリ素子M1〜M5は、たとえばMOSトランジスタQ4とキャパシタC1とが直列に接続された構成を有する。ただし、これに限らず、たとえばReRAMなどの可変抵抗メモリやSONOS(Silicon/Oxide/Nitride/Oxide/Silicon)メモリなどを用いることも可能である。   Each of the memory elements M1 to M5 has a configuration in which, for example, a MOS transistor Q4 and a capacitor C1 are connected in series. However, the present invention is not limited to this. For example, a variable resistance memory such as ReRAM or a SONOS (Silicon / Oxide / Nitride / Oxide / Silicon) memory may be used.

つづいて、実施形態5にかかる撮像素子の動作について説明する。ある時刻tにおける入射光の光量値に応じた電荷がフォトダイオードPD1から電荷蓄積領域に転送され、その結果、アンプトランジスタQ2のソース電位が光量値に対応した値となる。そこで、時刻tでは、R1/R2<<1として、非常に低い平滑度(実質的に平滑化無し)の画像情報を1段目のメモリ素子M1に記憶させる。ここで、フレーム速度を通常の30〜60FPS(Frame Par Second)程度とすると、各フレーム間隔は10msec以上となる。そこで、フレームとフレームとの間に可変抵抗素子VR1およびVR2の抵抗値を変えることで、異なる平滑度の画像情報を2段目以降の各メモリ素子M2〜M5に記憶させる。これにより、多数の異なる平滑度の画素情報を短時間に取得することが可能となる。なお、各メモリ素子M1〜M5におけるMOSトランジスタQ4のゲートには、それぞれの書き込みタイミングに応じた異なるタイミングで、フォトダイオードPD1からの画素情報書込のためのメモリトリガ信号が入力される。   Subsequently, the operation of the image sensor according to the fifth embodiment will be described. Charge corresponding to the light amount value of incident light at a certain time t is transferred from the photodiode PD1 to the charge accumulation region, and as a result, the source potential of the amplifier transistor Q2 becomes a value corresponding to the light amount value. Therefore, at time t, R1 / R2 << 1, and image information with very low smoothness (substantially no smoothing) is stored in the first-stage memory element M1. Here, assuming that the frame rate is about 30 to 60 FPS (Frame Par Second), each frame interval is 10 msec or more. Therefore, by changing the resistance values of the variable resistance elements VR1 and VR2 between the frames, image information having different smoothness is stored in the memory elements M2 to M5 in the second and subsequent stages. This makes it possible to acquire a large number of pixel information having different smoothness levels in a short time. Note that a memory trigger signal for writing pixel information from the photodiode PD1 is input to the gate of the MOS transistor Q4 in each of the memory elements M1 to M5 at different timings according to the respective writing timings.

なお、リセットトランジスタQ1をオンにした状態での画素値をメモリ素子M1〜M5のいずれかに記憶させておいてもよい。その場合、リセット状態で取得された画像データをベースとした差分処理を実行することで、画像データの低周波ノイズ成分を除去することが可能となる。   Note that the pixel value with the reset transistor Q1 turned on may be stored in any of the memory elements M1 to M5. In that case, it is possible to remove the low frequency noise component of the image data by executing the difference process based on the image data acquired in the reset state.

図16〜図19に、実施形態5にかかるメモリ素子M1〜M5の具体例を示す。図16は、メモリ素子の第1例を示す回路図であり、図17は、図16に示すメモリ素子の構造例を示す断面図である。図18は、メモリ素子の第2例を示す回路図であり、図19は、図18に示すメモリ素子の構造例を示す断面図である。なお、図16〜図19に示すメモリ素子M10は、メモリ素子M1〜M5に共通の構造であってよい。   16 to 19 show specific examples of the memory elements M1 to M5 according to the fifth embodiment. FIG. 16 is a circuit diagram illustrating a first example of the memory element, and FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a structure example of the memory element illustrated in FIG. FIG. 18 is a circuit diagram showing a second example of the memory element, and FIG. 19 is a cross-sectional view showing a structure example of the memory element shown in FIG. Note that the memory element M10 illustrated in FIGS. 16 to 19 may have a structure common to the memory elements M1 to M5.

図16および図17に示すように、第1例によるメモリ素子M10におけるMOSトランジスタQ4の構造は、上述したMOSトランジスタQR1およびQR2などの配線層トランジスタと同様である。また、キャパシタC1は、一方の電極151が半導体層で構成され、他方の電極152が金属配線で構成されていてもよい。さらに、各段のメモリ素子M10の断面構造では、たとえばパッシベーション120(または後述の層間絶縁膜123)上に、層間絶縁膜121、ゲート絶縁膜122および層間絶縁膜123が順次積層され、これに対してゲート絶縁膜122を挟むようにMOSトランジスタQ4およびキャパシタC1が形成されている。したがって、メモリ素子M10を5段とした場合(メモリ素子M1〜M5)、半導体装置は、図17の配線層51Lの構造が積層方向に5回繰り返された断面構造となる。なお、MOSトランジスタQ4には、メモリ保持特性を向上するためにオフリーク電流の小さいトランジスタを用いるのが好ましい。たとえば、半導体層としてInGaZnOを用いたMOSトランジスタを用いるとよい。   As shown in FIGS. 16 and 17, the structure of the MOS transistor Q4 in the memory element M10 according to the first example is the same as that of the wiring layer transistors such as the MOS transistors QR1 and QR2 described above. In the capacitor C1, one electrode 151 may be formed of a semiconductor layer, and the other electrode 152 may be formed of a metal wiring. Further, in the cross-sectional structure of the memory element M10 at each stage, for example, an interlayer insulating film 121, a gate insulating film 122, and an interlayer insulating film 123 are sequentially stacked on a passivation 120 (or an interlayer insulating film 123 described later), The MOS transistor Q4 and the capacitor C1 are formed so as to sandwich the gate insulating film 122 therebetween. Therefore, when the memory element M10 has five stages (memory elements M1 to M5), the semiconductor device has a cross-sectional structure in which the structure of the wiring layer 51L in FIG. 17 is repeated five times in the stacking direction. Note that it is preferable to use a transistor having a small off-leakage current as the MOS transistor Q4 in order to improve memory retention characteristics. For example, a MOS transistor using InGaZnO may be used as the semiconductor layer.

また、第1例では、キャパシタC1の一方の電極151を半導体層としたが、これに限られない。たとえば図18および図19に示す第2例によるメモリ素子M11のように、キャパシタC2の両方の電極161、162を金属配線としてもよい。この場合も同様に、メモリ素子M11を5段とした場合(メモリ素子M1〜M5)、半導体装置は、図19の配線層51Lの構造が積層方向に5回繰り返された断面構造となる。   In the first example, one electrode 151 of the capacitor C1 is a semiconductor layer, but the present invention is not limited to this. For example, like the memory element M11 according to the second example shown in FIGS. 18 and 19, both electrodes 161 and 162 of the capacitor C2 may be metal wiring. In this case as well, when the memory element M11 has five stages (memory elements M1 to M5), the semiconductor device has a cross-sectional structure in which the structure of the wiring layer 51L in FIG. 19 is repeated five times in the stacking direction.

なお、上述の第1例ではキャパシタC1の電極151および152間をゲート絶縁膜122とし、第2例ではキャパシタC2の電極161および162間を層間絶縁膜123の一部としたが、これに限られるものではない。たとえば、電極151および152間を誘電体膜等とすることで、キャパシタC1またはC2の容量を調整(増加または減少)してもよい。   In the first example described above, the gate insulating film 122 is used between the electrodes 151 and 152 of the capacitor C1, and the electrode 161 and 162 of the capacitor C2 is used as a part of the interlayer insulating film 123 in the second example. It is not something that can be done. For example, the capacitance of the capacitor C1 or C2 may be adjusted (increased or decreased) by using a dielectric film or the like between the electrodes 151 and 152.

以上のように、実施形態5によれば、上述した実施形態と同様に、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。また、シリコン網膜チップを用いた場合でも、画素アレイ11の画素レイアウトを実質的に変更することなく、画像認識に必要な基本処理機能を有した撮像素子を実現することができる。   As described above, according to the fifth embodiment, similarly to the above-described embodiments, it is possible to perform smoothing processing of image data at high speed by analog processing without increasing the pixel area. Even when a silicon retina chip is used, an image sensor having a basic processing function necessary for image recognition can be realized without substantially changing the pixel layout of the pixel array 11.

さらに、実施形態5によれば、配線層にメモリ素子を設け、これによりなるメモリアレイに異なる平滑度で平滑化された画像データを記憶しておくため、多数の異なる平滑度の画像を短時間に取得することが可能となる。   Furthermore, according to the fifth embodiment, the memory element is provided in the wiring layer, and the image data smoothed with different smoothness is stored in the memory array formed thereby, so that a large number of images with different smoothness can be stored in a short time. Can be obtained.

なお、その他の撮像素子、撮像装置および半導体装置の構成、製造方法および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   The configurations, manufacturing methods, and effects of other imaging elements, imaging devices, and semiconductor devices are the same as those in the above-described embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.

(実施形態6)
つぎに、実施形態6にかかる撮像素子、撮像装置および半導体装置を、図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 6)
Next, an imaging device, an imaging apparatus, and a semiconductor device according to Embodiment 6 will be described in detail with reference to the drawings.

上述した実施形態5では、各メモリ素子M1〜M5への書き込みタイミングに応じた異なるタイミングで、画素情報書込のためのメモリトリガ信号がMOSトランジスタQ4のゲートに入力された。ただし、上述したように、メモリ素子M1〜M5への画素情報書込のタイミングを決定するフレーム速度は、一定である。そこで、実施形態6では、1つのメモリトリガ信号を遅延することで、各メモリ素子M1〜M5への書き込みを異なるタイミングとするように構成する。   In the fifth embodiment described above, a memory trigger signal for writing pixel information is input to the gate of the MOS transistor Q4 at different timings according to the writing timing to each of the memory elements M1 to M5. However, as described above, the frame rate for determining the timing of writing pixel information into the memory elements M1 to M5 is constant. Therefore, the sixth embodiment is configured such that writing to each of the memory elements M1 to M5 is performed at different timings by delaying one memory trigger signal.

図20は、実施形態6にかかる撮像素子の概略構成例を示す回路図である。図20と図15とを比較すると明らかなように、実施形態6では、各メモリ素子M1〜M5におけるMOSトランジスタQ4のゲートに共通にメモリトリガ信号が入力される。ただし、メモリトリガ信号が伝搬する配線L7において、各メモリ素子M1〜M5におけるMOSトランジスタQ4のゲート直前には、それぞれの段でメモリトリガ信号を遅延するための遅延キャパシタC11が接続されている。これにより、メモリトリガ信号がある一定の間隔遅延されるため、各メモリ素子M1〜M5におけるMOSトランジスタQ4のオン/オフ動作が一定の間隔ずれる。そこで、遅延間隔に合わせて抵抗比R1/R2を変化させるように制御することで、異なる平滑度の画素情報を1度のメモリトリガ信号の出力でメモリ素子M1〜M5に記憶させることが可能となる。また、画素情報の読み出し時も同様に、1度のメモリトリガ信号の出力で各メモリ素子M1〜M5に保持された画像情報を読み出すことが可能となる。   FIG. 20 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration example of an image sensor according to the sixth embodiment. As is clear from comparison between FIG. 20 and FIG. 15, in the sixth embodiment, a memory trigger signal is commonly input to the gates of the MOS transistors Q <b> 4 in the memory elements M <b> 1 to M <b> 5. However, in the wiring L7 through which the memory trigger signal propagates, a delay capacitor C11 for delaying the memory trigger signal at each stage is connected immediately before the gate of the MOS transistor Q4 in each of the memory elements M1 to M5. Thereby, since the memory trigger signal is delayed by a certain interval, the on / off operation of the MOS transistor Q4 in each of the memory elements M1 to M5 is deviated by a certain interval. Therefore, by controlling so that the resistance ratio R1 / R2 is changed in accordance with the delay interval, it is possible to store pixel information with different smoothness in the memory elements M1 to M5 by outputting one memory trigger signal. Become. Similarly, when reading out pixel information, it is possible to read out image information held in each of the memory elements M1 to M5 by outputting a memory trigger signal once.

なお、遅延キャパシタC11に代えて、バッファなどを用いることも可能である。ただし、通常では遅延キャパシタC11の方が面積的に有利であるため好ましい。   A buffer or the like can be used instead of the delay capacitor C11. However, the delay capacitor C11 is usually preferable because it is advantageous in terms of area.

以上のように、実施形態6によれば、上述した実施形態と同様に、画素面積を増大させることなく画像データの平滑化処理をアナログ処理で高速に行うことが可能となる。また、シリコン網膜チップを用いた場合でも、画素アレイ11の画素レイアウトを実質的に変更することなく、画像認識に必要な基本処理機能を有した撮像素子を実現することができる。   As described above, according to the sixth embodiment, similarly to the above-described embodiments, it is possible to perform smoothing processing of image data at high speed by analog processing without increasing the pixel area. Even when a silicon retina chip is used, an image sensor having a basic processing function necessary for image recognition can be realized without substantially changing the pixel layout of the pixel array 11.

さらに、実施形態6によれば、実施形態5と同様に、多数の異なる平滑度の画像を短時間に取得することが可能となる。さらにまた、実施形態6によれば、1度のメモリトリガ信号の出力で各メモリ素子M1〜M5に対する書き込み/読み出しが可能となる。   Furthermore, according to the sixth embodiment, as in the fifth embodiment, it is possible to acquire a large number of images with different smoothness in a short time. Furthermore, according to the sixth embodiment, writing / reading to / from each of the memory elements M1 to M5 can be performed with one output of the memory trigger signal.

なお、その他の撮像素子、撮像装置および半導体装置の構成、製造方法および効果は、上述した実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   Note that the configurations, manufacturing methods, and effects of other imaging elements, imaging devices, and semiconductor devices are the same as those in the above-described embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.

(実施形態7)
つぎに、上述した各実施形態にかかる撮像素子を備える撮像装置について、いくつかの例を図面を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 7)
Next, some examples of the image pickup apparatus including the image pickup device according to each embodiment described above will be described in detail with reference to the drawings.

・第1例
まず、水平方向に配列する画素セル間を可変抵抗素子を介して接続した場合を、第1例として説明する。図21は、実施形態7における第1例にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。なお、図21は、図1に示す撮像装置1をより具体的に示すものである。
First Example First, a case where pixel cells arranged in the horizontal direction are connected via a variable resistance element will be described as a first example. FIG. 21 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor as the imaging device according to the first example in the seventh embodiment. FIG. 21 shows the imaging apparatus 1 shown in FIG. 1 more specifically.

図21に示すように、第1例による撮像装置1は、画素アレイ11と、ADC14と、DSP15を含む周辺回路17と、I/O16と、制御部20とを備える。   As illustrated in FIG. 21, the imaging device 1 according to the first example includes a pixel array 11, an ADC 14, a peripheral circuit 17 including a DSP 15, an I / O 16, and a control unit 20.

画素アレイ11は、複数の画素セル11A〜11Nが2次元配列した構成を有する。画素セル11A〜11N間は、それぞれ配線層11Lに設けられた可変抵抗素子VR2を介して接続される。図21に示す例では、行方向に配列する画素セル11A〜11N間にそれぞれ可変抵抗素子VR2が設けられている。   The pixel array 11 has a configuration in which a plurality of pixel cells 11A to 11N are two-dimensionally arranged. The pixel cells 11A to 11N are connected through variable resistance elements VR2 provided in the wiring layer 11L. In the example shown in FIG. 21, variable resistance elements VR2 are provided between the pixel cells 11A to 11N arranged in the row direction.

制御部20は、行選択回路(レジスタ)12と、タイミング発生回路13と、バイアス発生回路23と、電圧制御部24と、制御回路21とを含む。制御回路21は、バイアス発生回路23、電圧制御部24、行選択回路12およびタイミング発生回路13の動作を制御する。行選択回路12は、読み出しの対象となる画素セル11A〜11Nの行(水平ライン)を選択するとともに、1水平ライン内の複数の画素セル11A〜11Nからの画素信号の読み出しを制御する。電圧制御部24は、垂直出力信号線の電圧を制御するとともに、平滑化のために可変抵抗素子VR2へ与えるゲート電圧を制御する。ただし、平滑化のためのゲート電圧制御は、行選択回路12が行ってもよいし、可変抵抗素子VR2専用に設けられた電圧制御回路で行ってもよい。   The control unit 20 includes a row selection circuit (register) 12, a timing generation circuit 13, a bias generation circuit 23, a voltage control unit 24, and a control circuit 21. The control circuit 21 controls operations of the bias generation circuit 23, the voltage control unit 24, the row selection circuit 12, and the timing generation circuit 13. The row selection circuit 12 selects a row (horizontal line) of the pixel cells 11A to 11N to be read and controls reading of pixel signals from the plurality of pixel cells 11A to 11N in one horizontal line. The voltage control unit 24 controls the voltage of the vertical output signal line and also controls the gate voltage applied to the variable resistance element VR2 for smoothing. However, the gate voltage control for smoothing may be performed by the row selection circuit 12 or may be performed by a voltage control circuit provided exclusively for the variable resistance element VR2.

ADC14は、垂直出力信号線ごとのADCブロック14a〜14nを含む。各ADCブロック14a〜14nは、対応する垂直出力信号線から読み出された電圧値(画素信号)をAD変換する。AD変換された画素信号は、周辺回路17内のたとえばDSP15によってデジタル信号処理される。異なる平滑度の画像の差分処理、極大値・極小値の抽出処理などは、たとえばDSP15において実行される。また、DSP15は、特徴点周りの画像値の勾配情報などの特徴量抽出処理も実行してよい。その後、周辺回路17において処理された画像信号は、I/O16から出力される。   The ADC 14 includes ADC blocks 14a to 14n for each vertical output signal line. Each of the ADC blocks 14a to 14n performs AD conversion on the voltage value (pixel signal) read from the corresponding vertical output signal line. The AD-converted pixel signal is subjected to digital signal processing, for example, by the DSP 15 in the peripheral circuit 17. For example, the DSP 15 executes difference processing of images with different smoothness, extraction processing of maximum and minimum values, and the like. The DSP 15 may also perform a feature amount extraction process such as gradient information of image values around feature points. Thereafter, the image signal processed in the peripheral circuit 17 is output from the I / O 16.

・第2例
つぎに、水平方向および垂直方向の2次元方向に配列する画素セル間をそれぞれ可変抵抗素子を介して接続した場合を、第2例として説明する。図22は、実施形態7における第2例にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。図22に示すように、第2例による撮像装置2は、図21に示す撮像装置1と同様の構成を有するが、画素アレイ11において、水平方向および垂直方向の2次元方向に配列する画素セル11A〜11N間がそれぞれ可変抵抗素子VR2aまたはVR2bを介して接続されている。平滑化のために可変抵抗素子VR2aおよびVR2bへ与えるゲート電圧は、電圧制御部24によって制御される。ただし、これに限らず、行選択回路12が行ってもよいし、可変抵抗素子VR2aおよびVR2bそれぞれに専用に設けた電圧制御回路で行ってもよい。
Second Example Next, a case where pixel cells arranged in a two-dimensional direction in the horizontal direction and the vertical direction are connected via variable resistance elements will be described as a second example. FIG. 22 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor as the imaging device according to the second example in the seventh embodiment. As shown in FIG. 22, the imaging device 2 according to the second example has the same configuration as the imaging device 1 shown in FIG. 21, but in the pixel array 11, pixel cells arranged in a two-dimensional direction in the horizontal direction and the vertical direction. 11A to 11N are connected via variable resistance elements VR2a or VR2b, respectively. The gate voltage applied to the variable resistance elements VR2a and VR2b for smoothing is controlled by the voltage control unit 24. However, the present invention is not limited to this, and may be performed by the row selection circuit 12 or may be performed by a voltage control circuit provided exclusively for each of the variable resistance elements VR2a and VR2b.

・第3例
つぎに、垂直方向に配列する画素セル間をそれぞれ可変抵抗素子を介して接続した場合を、第3例として説明する。図23は、実施形態7における第3例にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。図23に示すように、第3例による撮像装置3は、図21に示す撮像装置1と同様の構成を有するが、画素アレイ11において、垂直方向に配列する画素セル11A〜11N間がそれぞれ可変抵抗素子VR2を介して接続されている。平滑化のために可変抵抗素子VR2へ与えるゲート電圧は、電圧制御部24によって制御される。ただし、これに限らず、行選択回路12が行ってもよいし、可変抵抗素子VR2に専用に設けた電圧制御回路で行ってもよい。
Third Example Next, a case where pixel cells arranged in the vertical direction are connected via variable resistance elements will be described as a third example. FIG. 23 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor serving as an imaging apparatus according to a third example of the seventh embodiment. As shown in FIG. 23, the imaging device 3 according to the third example has the same configuration as that of the imaging device 1 shown in FIG. It is connected via a resistance element VR2. The gate voltage applied to the variable resistance element VR2 for smoothing is controlled by the voltage control unit 24. However, the present invention is not limited to this, and may be performed by the row selection circuit 12 or may be performed by a voltage control circuit provided exclusively for the variable resistance element VR2.

(実施形態8)
また、上述した実施形態で例示したCMOSイメージセンサチップの構造は、図24で示すように、2つのチップ30Aおよび30Bを貼り合わせた積層構造を有していてもよい。その際、TSV(Through Silicon Via)31〜34による積層構造とし、周辺回路17を画素アレイ11上に配置するレイアウトとすることで、周辺回路17の面積を大きくすることが可能となる。その結果、大規模の周辺回路17を搭載することが可能となり、特徴点抽出や特徴量抽出などの処理をより高速に実行することが可能となる。
(Embodiment 8)
Further, the structure of the CMOS image sensor chip exemplified in the above-described embodiment may have a stacked structure in which two chips 30A and 30B are bonded together as shown in FIG. At this time, the area of the peripheral circuit 17 can be increased by adopting a laminated structure of TSVs (Through Silicon Vias) 31 to 34 and a layout in which the peripheral circuit 17 is arranged on the pixel array 11. As a result, a large-scale peripheral circuit 17 can be mounted, and processing such as feature point extraction and feature amount extraction can be performed at higher speed.

(実施形態9)
つぎに、可変抵抗素子VR1として、各段が異なる抵抗値を持つ多段の抵抗素子アレイを切り替えることで抵抗値を変更するように構成された可変抵抗素子VR11を用いた場合の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、可変抵抗素子VR2に対して可変抵抗素子VR11を適用してもよいし、可変抵抗素子VR1およびVR2の両方に対して可変抵抗素子VR11を適用してもよい。
(Embodiment 9)
Next, as the variable resistance element VR1, a drawing in the case of using the variable resistance element VR11 configured to change the resistance value by switching a multi-stage resistance element array having different resistance values in each stage will be described. The details will be described. In the following embodiments, the variable resistance element VR11 may be applied to the variable resistance element VR2, or the variable resistance element VR11 may be applied to both the variable resistance elements VR1 and VR2.

図25は、実施形態9にかかる撮像装置の概略構成を示す俯瞰図である。なお、図25において、図1と同様の構成については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。図25に示す構成では、図1における可変抵抗素子VR1が可変抵抗素子VR11に置き換えられるとともに、第1配線L2から分岐する各第2配線L1上に、可変抵抗素子VR1に対して直列接続された切替トランジスタSW11が設けられている。各切替トランジスタSW11は、書込み/読出し対象の画素セル11Aを切り替えるためのトランジスタである。なお、切替トランジスタSW11は、可変抵抗素子VR1とノードN1(N2)との間に電気的に介在するように設けられてもよし、可変抵抗素子VR1と画素セル11A(11B)との間に電気的に介在するように設けられてもよい。   FIG. 25 is an overhead view showing a schematic configuration of an imaging apparatus according to the ninth embodiment. In FIG. 25, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted. In the configuration shown in FIG. 25, the variable resistance element VR1 in FIG. 1 is replaced with the variable resistance element VR11, and is connected in series to the variable resistance element VR1 on each second wiring L1 branched from the first wiring L2. A switching transistor SW11 is provided. Each switching transistor SW11 is a transistor for switching the pixel cell 11A to be written / read. The switching transistor SW11 may be provided so as to be electrically interposed between the variable resistance element VR1 and the node N1 (N2), or may be electrically connected between the variable resistance element VR1 and the pixel cell 11A (11B). It may be provided so as to intervene.

図26は、実施形態9にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。図26に示すように、撮像装置4は、図21に示す撮像装置1と同様の構成において、可変抵抗素子VR1が可変抵抗素子VR11に置き換えられるとともに、各可変抵抗素子VR11と各画素セル11A〜11Nとの間に切替トランジスタSW11が接続されている。なお、図21にでは、可変抵抗素子VR1が省略されている。切替トランジスタSW11へ与える切替信号は、たとえば行選択回路12から与えられる。ただし、これに限らず、電圧制御部24から切替トランジスタSW11に切替信号が入力されてもよい。   FIG. 26 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor as the imaging apparatus according to the ninth embodiment. As shown in FIG. 26, the imaging device 4 has a configuration similar to that of the imaging device 1 shown in FIG. 21, in which the variable resistance element VR1 is replaced with the variable resistance element VR11, and each variable resistance element VR11 and each pixel cell 11A to 11A. The switching transistor SW11 is connected to 11N. In FIG. 21, the variable resistance element VR1 is omitted. A switching signal supplied to the switching transistor SW11 is supplied from the row selection circuit 12, for example. However, the present invention is not limited to this, and a switching signal may be input from the voltage control unit 24 to the switching transistor SW11.

図27は、実施形態9にかかる可変抵抗素子の一例を示す回路図である。図27に示すように、可変抵抗素子VR11は、図25におけるノードn1およびn2間に並列接続された複数の抵抗素子R1〜R10と、それぞれの抵抗素子R1〜R10を選択するための選択トランジスタT1〜T10とを備える。   FIG. 27 is a circuit diagram illustrating an example of a variable resistance element according to the ninth embodiment. As shown in FIG. 27, the variable resistance element VR11 includes a plurality of resistance elements R1 to R10 connected in parallel between the nodes n1 and n2 in FIG. 25 and a selection transistor T1 for selecting each of the resistance elements R1 to R10. To T10.

各抵抗素子R1〜R10は、たとえばポリシリコン抵抗などの抵抗素子で構成されている。抵抗素子R1〜R10を同一層のポリシリコン抵抗で形成した場合、各素子の抵抗値は、配線方向の長さと配線方向と垂直な断面の面積とで決定される。ただし、これに限定されず、各抵抗素子R1〜R10で形状と均一とし、それぞれの不純物濃度を変化させることで、その抵抗値を変化させてもよい。また、可変抵抗素子VR1およびVR2の双方を可変抵抗素子VR11に置き換えた場合、それぞれで並列段数が異なっていてもよい。   Each of the resistance elements R1 to R10 is composed of a resistance element such as a polysilicon resistance, for example. When the resistance elements R1 to R10 are formed of the same layer of polysilicon resistance, the resistance value of each element is determined by the length in the wiring direction and the area of the cross section perpendicular to the wiring direction. However, the present invention is not limited to this, and the resistance values may be changed by changing the impurity concentration of each of the resistance elements R1 to R10 so that the shape is uniform. Further, when both of the variable resistance elements VR1 and VR2 are replaced with the variable resistance element VR11, the number of parallel stages may be different from each other.

各選択トランジスタT1〜T10は、対応する抵抗素子R1〜R10に直列に接続されており、そのゲートには、選択回路から出力された選択信号が印加される。この選択回路は、図26における行選択回路12であってもよいし、電圧制御部24であってもよいし、不図示の選択回路であってもよい。可変抵抗素子VR11の抵抗値R1(またはR2)は、選択信号によって導通状態になった選択トランジスタT1〜T10に接続された1つ以上の抵抗素子R1〜R10の抵抗値によって決定される。   Each selection transistor T1 to T10 is connected in series to the corresponding resistance element R1 to R10, and a selection signal output from the selection circuit is applied to its gate. The selection circuit may be the row selection circuit 12 in FIG. 26, the voltage control unit 24, or a selection circuit (not shown). The resistance value R1 (or R2) of the variable resistance element VR11 is determined by the resistance values of one or more resistance elements R1 to R10 connected to the selection transistors T1 to T10 that are turned on by the selection signal.

選択トランジスタT1〜T10は、画素セル11Aの面積増加を抑えるため、配線層に設けられることが好ましい。図28に、図25に示す回路構成を実現するための半導体装置の断面構造例を示す。   The selection transistors T1 to T10 are preferably provided in the wiring layer in order to suppress an increase in the area of the pixel cell 11A. FIG. 28 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device for realizing the circuit configuration shown in FIG.

図28に示すように、実施形態9では、図4に示す構成と同様の構成において、配線層21Lにおける層間絶縁膜118上にゲート絶縁膜201と層間絶縁膜202〜204とが追加されているとともに、層間絶縁膜118に形成されていた可変抵抗素子VR1であるMOSトランジスタQR1に代えて切替トランジスタSW11が形成されている。また、層間絶縁膜202には、可変抵抗素子VR11における選択トランジスタT1が形成されており、それより上層の層間絶縁膜204には、層間絶縁膜203に形成された第2配線L1を介して可変抵抗素子VR11における抵抗素子R1が形成されている。なお、説明の都合上、図28には、可変抵抗素子VR11における抵抗素子R1およびそれに直列接続された選択トランジスタT1を図示するが、他の抵抗素子R2〜R10および選択トランジスタT2〜T10についても、抵抗素子R1および選択トランジスタT1と同一層にそれぞれ形成されてもよい。   As shown in FIG. 28, in the ninth embodiment, a gate insulating film 201 and interlayer insulating films 202 to 204 are added on the interlayer insulating film 118 in the wiring layer 21L in the same configuration as that shown in FIG. In addition, a switching transistor SW11 is formed in place of the MOS transistor QR1 which is the variable resistance element VR1 formed in the interlayer insulating film 118. In addition, the selection transistor T1 in the variable resistance element VR11 is formed in the interlayer insulating film 202, and the interlayer insulating film 204 that is higher than the selection transistor T1 is variable via the second wiring L1 formed in the interlayer insulating film 203. A resistance element R1 in the resistance element VR11 is formed. For convenience of explanation, FIG. 28 shows the resistance element R1 in the variable resistance element VR11 and the selection transistor T1 connected in series thereto, but the other resistance elements R2 to R10 and the selection transistors T2 to T10 are also shown in FIG. The resistor element R1 and the select transistor T1 may be formed in the same layer.

以上のように、可変抵抗素子VR1(VR2)にポリシリコン抵抗などの抵抗素子を用いた場合、トランジスタ抵抗を用いた場合と比較して、抵抗素子間のバイアス変化に対してより変化の少ない抵抗値を得ることが可能となる。また、ポリシリコン抵抗の断面積や長さを調整することで所望の抵抗値を得ることが可能となり、抵抗素子列の数に応じて所望の平滑度段数を得ることが可能となる。   As described above, when a resistance element such as a polysilicon resistor is used as the variable resistance element VR1 (VR2), a resistance that is less changed with respect to a bias change between the resistance elements than when a transistor resistance is used. A value can be obtained. In addition, a desired resistance value can be obtained by adjusting the cross-sectional area and length of the polysilicon resistor, and a desired number of smoothness steps can be obtained according to the number of resistor element rows.

なお、抵抗素子R1〜R10は、ポリシリコン抵抗以外に、絶縁膜、誘電膜、金属などであってもよい。また、図27では抵抗素子を10列としているが、10列以上であってもよいし、10列以下であってもよい。さらに、図25に示す構成において、切替トランジスタSW11は、可変抵抗素子VR11の構成によっては省略することができる。たとえば図27に示す構成の可変抵抗素子VR11を採用した場合、選択トランジスタT1〜T10で代用することも可能である。   The resistance elements R1 to R10 may be an insulating film, a dielectric film, a metal, or the like other than the polysilicon resistance. In FIG. 27, the resistance elements are 10 rows, but may be 10 rows or more, or 10 rows or less. Further, in the configuration shown in FIG. 25, the switching transistor SW11 may be omitted depending on the configuration of the variable resistance element VR11. For example, when the variable resistance element VR11 having the configuration shown in FIG. 27 is employed, the selection transistors T1 to T10 can be substituted.

(実施形態10)
また、実施形態9における抵抗素子R1〜R10それぞれを、ReRAM、MRAM、PRAM、イオンメモリ、アモルファスシリコンメモリおよびポリシリコンメモリなどの抵抗変化メモリで構成することも可能である。図29〜31は、抵抗素子R1〜R3を抵抗変化メモリで構成した場合の例を示す回路図である。なお、図29は抵抗素子R1を示し、図30は抵抗素子R2を示し、図31は抵抗素子R3を示す。
(Embodiment 10)
In addition, each of the resistance elements R1 to R10 in the ninth embodiment can be configured by a resistance change memory such as ReRAM, MRAM, PRAM, ion memory, amorphous silicon memory, and polysilicon memory. 29 to 31 are circuit diagrams illustrating an example in which the resistance elements R1 to R3 are configured by a resistance change memory. 29 shows the resistance element R1, FIG. 30 shows the resistance element R2, and FIG. 31 shows the resistance element R3.

図29に示すように、たとえば抵抗素子R1は、単一の抵抗変化メモリR11で構成される。また、図30および図31に示す抵抗素子R2およびR3ならびに抵抗素子R4〜R10は、それぞれ多段に並列接続された抵抗変化メモリR20〜R24、R30〜R39、…によって構成される。このように、抵抗素子R1〜R10を構成する抵抗変化メモリの並列数は、目標の抵抗値に応じて変化させてよい。   As shown in FIG. 29, for example, the resistance element R1 includes a single resistance change memory R11. Also, the resistance elements R2 and R3 and the resistance elements R4 to R10 shown in FIG. 30 and FIG. 31 are configured by resistance change memories R20 to R24, R30 to R39,. Thus, the parallel number of the resistance change memories constituting the resistance elements R1 to R10 may be changed according to the target resistance value.

図32は、実施形態10にかかる撮像装置としてのCMOSイメージセンサの概略構成を示す回路ブロック図である。図32に示すように、撮像装置5は、図26に示す撮像装置4と同様の構成において、抵抗変化メモリR11、R20〜R24、R30〜R39、…で構成された可変抵抗素子VR11に対して抵抗値を書き込むための書込み用配線が追加されている。その他の構成は、図26に示す撮像装置4と同様であってよい。   FIG. 32 is a circuit block diagram illustrating a schematic configuration of a CMOS image sensor as the imaging apparatus according to the tenth embodiment. As shown in FIG. 32, the imaging device 5 has a configuration similar to that of the imaging device 4 shown in FIG. 26, with respect to a variable resistance element VR11 configured by resistance change memories R11, R20 to R24, R30 to R39,. Write wiring for writing the resistance value is added. Other configurations may be the same as those of the imaging device 4 shown in FIG.

図33および図34は、抵抗素子R1〜R10の構造例を示す図である。なお、図33は抵抗素子R1の構造例を示し、図34は抵抗素子R2の構造例を示す。図33および図34に示すように、抵抗素子R1は、上下に配置された2つの電極E11およびE12と、この電極E11およびE12間に設けられた抵抗変化メモリR10とを備える。同様に、抵抗素子R2は、電極E21およびE22と、この電極E21およびE22間に設けられた抵抗変化メモリR20〜R24とを備える。また、他の抵抗素子R3〜R10も同様に、2つの電極と、この電極に設けられた複数の抵抗変化メモリとを備える。   FIG. 33 and FIG. 34 are diagrams showing structural examples of the resistance elements R1 to R10. FIG. 33 shows a structural example of the resistive element R1, and FIG. 34 shows a structural example of the resistive element R2. As shown in FIGS. 33 and 34, the resistance element R1 includes two electrodes E11 and E12 arranged above and below, and a resistance change memory R10 provided between the electrodes E11 and E12. Similarly, the resistance element R2 includes electrodes E21 and E22 and resistance change memories R20 to R24 provided between the electrodes E21 and E22. Similarly, the other resistance elements R3 to R10 include two electrodes and a plurality of resistance change memories provided on the electrodes.

抵抗変化メモリを複数含む抵抗素子R2〜R10については、抵抗変化メモリを電極間に1列に並べる必要はなく、たとえば図35に示すように、2次元配列させてもよい。さらに、図33〜34では、1層構造の抵抗素子R1〜R10を例示するが、多層構造とすることも可能である。その場合、抵抗変化メモリと電極との間にダイオードなどの整流素子が設けられてもよい。可変抵抗素子VR11がこのような構成を備える場合でも、これを配線層21Lに配置することで、面積増加を抑制しつつ平滑度段数を増やすことが可能となる。   Regarding the resistance elements R2 to R10 including a plurality of resistance change memories, the resistance change memories do not have to be arranged in a line between the electrodes, and may be two-dimensionally arranged, for example, as shown in FIG. Furthermore, in FIGS. 33 to 34, the resistance elements R <b> 1 to R <b> 10 having a single layer structure are illustrated, but a multi-layer structure can also be used. In that case, a rectifying element such as a diode may be provided between the resistance change memory and the electrode. Even when the variable resistance element VR11 has such a configuration, by arranging it in the wiring layer 21L, it is possible to increase the number of smoothness steps while suppressing an increase in area.

各抵抗素子R1〜R10への抵抗値の書込みは、書込み対象の可変抵抗素子VR11に接続された切替トランジスタSW11、および、その可変抵抗素子VR11における書込み対象の抵抗素子に接続された選択トランジスタをともにオンとした状態で、抵抗変化メモリで構成された抵抗素子の両端に書込み電圧を印加することで実行される。たとえば図31に示す抵抗素子R3に対して抵抗値を書き込む場合、これを含む可変抵抗素子VR11に接続された切替トランジスタSW11、および抵抗素子R3ni接続された選択トランジスタT3をともにオンとした状態で、抵抗素子R3の両端に所望の書込み電圧を印加することで、所望の抵抗値が抵抗素子R3に書き込まれる。   Writing resistance values to each of the resistance elements R1 to R10 includes both the switching transistor SW11 connected to the variable resistance element VR11 to be written and the selection transistor connected to the resistance element to be written in the variable resistance element VR11. This is executed by applying a write voltage to both ends of the resistance element constituted by the resistance change memory in the ON state. For example, when a resistance value is written to the resistance element R3 shown in FIG. 31, both the switching transistor SW11 connected to the variable resistance element VR11 including the resistance value and the selection transistor T3 connected to the resistance element R3ni are turned on. By applying a desired write voltage to both ends of the resistance element R3, a desired resistance value is written to the resistance element R3.

書込み状態を検証するVerifyについては、抵抗素子を構成する個々の可変抵抗メモリに対してではなく、書込み対象の抵抗素子全体に対して行われてよい。これは、抵抗素子を構成する可変抵抗メモリが素子ばらつきや一部の欠陥を含む場合でも、抵抗値の書き込み時にその素子ばらつきや一部の欠陥を無効化して高精度に所望の抵抗値を書き込むことができることを導いている。   The verification for verifying the write state may be performed not on the individual variable resistance memories constituting the resistance element but on the entire resistance element to be written. This is because even when the variable resistance memory constituting the resistance element includes element variations and some defects, the desired resistance value is written with high accuracy by invalidating the element variations and some defects when writing the resistance value. It is guiding you to be able to.

また、各抵抗素子R1〜R10への抵抗値の書込みは、工場出荷時や装置待機時(スタンバイ期間やアイドル期間等)や電源オフ時などに行われてよい。抵抗素子R1〜R10に書き込まれた抵抗値は、電源をオフにした場合にも維持されるため、逐次書き込む必要はない。これは、抵抗素子R1〜R10の長寿命化が可能となるとともに、動作時に抵抗値の高速切替えが可能になるという効果が得られることを導いている。ただし、これは、抵抗値の逐次書込みを行うことを実施形態から除外するものではない。   Moreover, the writing of the resistance value to each of the resistance elements R1 to R10 may be performed at the time of factory shipment, when the apparatus is on standby (such as a standby period or an idle period), or when the power is turned off. Since the resistance values written in the resistance elements R1 to R10 are maintained even when the power is turned off, it is not necessary to sequentially write the resistance values. This leads to the effects that the resistance elements R1 to R10 can have a long life and that the resistance value can be switched at high speed during operation. However, this does not exclude the sequential writing of the resistance value from the embodiment.

その他の構成、効果および動作は、実施形態9および他の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   Other configurations, effects, and operations are the same as those of the ninth embodiment and other embodiments, and thus detailed description thereof is omitted here.

(実施形態11)
実施形態10では、抵抗素子に2端子の抵抗変化メモリを用いた場合を例示したが、これに代えて、抵抗値読出し用の2端子の他に抵抗値書込み用の1端子を持つ3端子の抵抗変化メモリを用いることも可能である。3端子の抵抗変化メモリを用いることで、抵抗値の書き込み時に素子選択のための選択トランジスタが不要となるため、可変抵抗メモリの並列段数を増加させることができる。その結果、抵抗値の変化率を大きくすることが可能となり、平滑度の段数を増やすことが可能となる。
(Embodiment 11)
In the tenth embodiment, a case where a resistance change memory having two terminals is used as the resistance element is illustrated, but instead of this, a three-terminal having one terminal for writing resistance values in addition to two terminals for reading resistance values is used. It is also possible to use a resistance change memory. By using a three-terminal resistance change memory, a selection transistor for selecting an element is not required when writing a resistance value, so that the number of parallel stages of the variable resistance memory can be increased. As a result, it is possible to increase the rate of change in resistance value and increase the number of smoothness steps.

図36〜38は、実施形態11にかかる3端子の可変抵抗メモリの構造例を示す図である。図36に示す抵抗変化メモリR200aは、抵抗値読出し用の2つの電極E201およびE203をブリッジするように、抵抗値書込み用の電極E202と2つの可変抵抗材C201およびC202とが設けられた構成を備える。抵抗値の書込み時には、電極E202およびE201間、ならびに、電極E202およびE203間に、所望のバイアス電圧を印加する。この際、電極E201およびE202を同電位とする。これにより、抵抗変化メモリR200aに所望の抵抗値が書き込まれる。また、抵抗値読出し時には、電極E201およびE203間に抵抗値に応じた電流が流れる。図36に示す構造では、電極E201と電極E203とが対象構造であるため、正負両極性に対する抵抗素子としての特性も良好となる効果がある。   36 to 38 are diagrams illustrating a structure example of the three-terminal variable resistance memory according to the eleventh embodiment. The resistance change memory R200a shown in FIG. 36 has a configuration in which a resistance value writing electrode E202 and two variable resistance materials C201 and C202 are provided so as to bridge the resistance value reading electrodes E201 and E203. Prepare. At the time of writing the resistance value, a desired bias voltage is applied between the electrodes E202 and E201 and between the electrodes E202 and E203. At this time, the electrodes E201 and E202 are set to the same potential. Thereby, a desired resistance value is written in the resistance change memory R200a. Further, when reading the resistance value, a current corresponding to the resistance value flows between the electrodes E201 and E203. In the structure shown in FIG. 36, since the electrode E201 and the electrode E203 are target structures, there is an effect that the characteristics as a resistance element with respect to both positive and negative polarities are also improved.

また、図37に示す可変抵抗メモリR200bのように、電極E201、202および203を縦に並べ、その間を可変抵抗材C201およびC202で接続した構造とすることも可能である。さらに、図38に示す可変抵抗メモリR200cのように、1つの可変抵抗材C203を3つの電極E201〜E203で挟む横構造とすることもできる。この場合、読出し電流は、電極E201から可変抵抗材C203および電極E202を介して電極E203に流れてもよいし、可変抵抗材C203と絶縁体D201との界面部分を流れてもよい。たとえば電極E201およびE203を銅(Cu)などの金属で構成した場合、可変抵抗材C203と絶縁体D201との界面部分に金属イオンが拡散し、これにより、所望抵抗値の電流パスが形成される。さらにまた、図38に示す構造は、図39に示す可変抵抗メモリR200dのように、縦構造とすることも可能である。   Further, as in a variable resistance memory R200b shown in FIG. 37, it is possible to arrange electrodes E201, 202 and 203 vertically and connect them with variable resistance materials C201 and C202. Further, as in the variable resistance memory R200c shown in FIG. 38, it is possible to adopt a lateral structure in which one variable resistance material C203 is sandwiched between three electrodes E201 to E203. In this case, the read current may flow from the electrode E201 to the electrode E203 via the variable resistance material C203 and the electrode E202, or may flow through an interface portion between the variable resistance material C203 and the insulator D201. For example, when the electrodes E201 and E203 are made of a metal such as copper (Cu), metal ions diffuse into the interface portion between the variable resistance material C203 and the insulator D201, thereby forming a current path having a desired resistance value. . Furthermore, the structure shown in FIG. 38 may be a vertical structure like the variable resistance memory R200d shown in FIG.

なお、図36または図37に示す構造は、製造が容易な点においてメリットが存在する。また、図38または図39に示す構造は、専有面積を縮小できる点においてメリットがある。   Note that the structure shown in FIG. 36 or FIG. 37 has an advantage in that it is easy to manufacture. Further, the structure shown in FIG. 38 or FIG. 39 has an advantage in that the exclusive area can be reduced.

その他の構成、効果および動作は、他の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。たとえば、実施形態11にかかる撮像装置は、図32に示す撮像装置5と同様であって良い。   Since other configurations, effects, and operations are the same as those of the other embodiments, detailed description thereof is omitted here. For example, the imaging apparatus according to the eleventh embodiment may be the same as the imaging apparatus 5 illustrated in FIG.

(実施形態12)
また、実施形態9〜11では、予め抵抗素子R1〜R10の抵抗値を設定しておく場合を例示したが、これに限定されるものではない。たとえば走査回路11Aまたは11Bからレイヤーごとに値を読み出す度に、可変抵抗素子VR11の抵抗値を設定するように構成することも可能である。なお、本実施形態では、3端子の抵抗変化メモリを用いた場合を例示するが、2端子の抵抗変化メモリと選択トランジスタとを組み合わせた構成であってもよい。
Embodiment 12
Moreover, although Embodiment 9-11 illustrated the case where the resistance value of resistance element R1-R10 was preset, it is not limited to this. For example, it is possible to configure so that the resistance value of the variable resistance element VR11 is set every time a value is read from the scanning circuit 11A or 11B for each layer. In this embodiment, a case where a three-terminal resistance change memory is used is exemplified, but a configuration in which a two-terminal resistance change memory and a selection transistor are combined may be used.

図40は、実施形態12にかかる3端子の抵抗変化メモリを用いて構成した可変抵抗素子の一例を示す回路図である。図40に示すように、可変抵抗素子VR21は、抵抗変化メモリR201〜R20n(nは正の整数。たとえば400程度)が多段に並列接続された構成を備える。可変抵抗素子VR1およびVR2の双方を可変抵抗素子VR11に置き換えた場合、それぞれで並列段数が異なっていてもよい。   FIG. 40 is a circuit diagram illustrating an example of a variable resistance element configured using the three-terminal resistance change memory according to the twelfth embodiment. As shown in FIG. 40, the variable resistance element VR21 has a configuration in which resistance change memories R201 to R20n (n is a positive integer, for example, about 400) are connected in parallel in multiple stages. When both the variable resistance elements VR1 and VR2 are replaced with the variable resistance element VR11, the number of parallel stages may be different from each other.

多段に並列接続された抵抗変化メモリR201〜R20nは、抵抗素子R1〜R10のように区画されておらず、全体で1つの抵抗素子として動作する。そのため、抵抗値の書込みでは、ターゲットとする抵抗値に応じた数の抵抗変化メモリが選択回路によって選択される。ただし、抵抗値の書込みは、実施形態10と同様、可変抵抗素子VR21を構成する個々の可変抵抗メモリR201〜R20nに対してではなく、書込み対象として選択された抵抗素子全体に対して行われてよい。また、書込み状態のVerifyは、実行されてもよいし、省略されてもよい。   The resistance change memories R201 to R20n connected in parallel in multiple stages are not partitioned like the resistance elements R1 to R10, and operate as one resistance element as a whole. Therefore, in the writing of the resistance value, the number of resistance change memories corresponding to the target resistance value is selected by the selection circuit. However, the resistance value is written not to the individual variable resistance memories R201 to R20n constituting the variable resistance element VR21, but to the entire resistance element selected as the write target, as in the tenth embodiment. Good. Also, “Verify” in the written state may be executed or omitted.

その他の構成、効果および動作は、他の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。たとえば、実施形態12にかかる撮像装置は、図32に示す撮像装置5と同様であって良い。   Since other configurations, effects, and operations are the same as those of the other embodiments, detailed description thereof is omitted here. For example, the imaging apparatus according to the twelfth embodiment may be the same as the imaging apparatus 5 illustrated in FIG.

(実施形態13)
実施形態13では、実施形態10〜12で例示した可変抵抗メモリの構成例について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明では、実施形態12で例示した可変抵抗素子R201に着目して説明するが、その他の抵抗素子R202〜R20n、R1〜R10、R20〜R24およびR30〜R39のいずれに対しても適用可能である。
(Embodiment 13)
In the thirteenth embodiment, a configuration example of the variable resistance memory exemplified in the tenth to twelfth embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the variable resistance element R201 exemplified in the twelfth embodiment will be described. However, the present invention can be applied to any of the other resistance elements R202 to R20n, R1 to R10, R20 to R24, and R30 to R39. It is.

図41は、実施形態13にかかる抵抗素子の構成例を示す回路図である。図41に示すように、抵抗素子R201は、単一の可変抵抗メモリを用いた構成に限らず、複数の可変抵抗メモリR50a〜R59nを用いた構成とすることもできる。   FIG. 41 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a resistance element according to the thirteenth embodiment. As shown in FIG. 41, the resistance element R201 is not limited to a configuration using a single variable resistance memory, but may be configured using a plurality of variable resistance memories R50a to R59n.

図41に示す例では、複数の可変抵抗メモリR50a〜R59nが直並列に接続されている。このような構成では、直列接続されたアレイごとの抵抗値の変更を確率的に制御することが可能となる。これを、図42を用いて説明する。図42は、書込みバイアス電圧とセット数との関係を示す図である。なお、セットとは、抵抗値が切り替わることを意味する。なお、図42における書込みバイアス電圧は、書込み電流または書込み回数に置き換えることが可能である。   In the example shown in FIG. 41, a plurality of variable resistance memories R50a to R59n are connected in series and parallel. In such a configuration, it is possible to control the change of the resistance value for each array connected in series stochastically. This will be described with reference to FIG. FIG. 42 is a diagram showing the relationship between the write bias voltage and the number of sets. The term “set” means that the resistance value is switched. Note that the write bias voltage in FIG. 42 can be replaced with a write current or a write count.

図42の一点破線に示すように、ひとつの可変抵抗メモリ素子では、パルス状の書込み電圧によって情報“0”に相当する低抵抗状態から情報“1”に相当する高抵抗状態へ遷移する際に、閾値電圧の付近で書き込みの成功確率が急峻に変化する。そのため、閾値電圧の付近で抵抗値が切り替わる(セットされる)セルの数(以下、セット数という)が急激に増加する。一方、図42の実線に示すように、複数の可変抵抗メモリが直並列に接続された本実施形態では、書込みバイアス電圧に対する抵抗の変化が線形に近い。これは、本実施形態の方が抵抗値の制御性が高いことを示している。そこで、図41におけるノードn341およびn351間に印加する書込みバイアス電圧を制御することで、可変抵抗メモリR50a〜R59nのセット数を制御可能である。その結果、可変抵抗メモリR50a〜R59nの抵抗値を多段に設定することが可能となる。また、製造時のばらつきなども考慮して抵抗変化メモリアレイを設計することで、書込みバイアス電圧とセット数との関係をより線形に近づけることも可能である。   As shown by the one-dot broken line in FIG. 42, in one variable resistance memory element, when a pulsed write voltage makes a transition from a low resistance state corresponding to information “0” to a high resistance state corresponding to information “1”. In the vicinity of the threshold voltage, the write success probability changes sharply. Therefore, the number of cells whose resistance value is switched (set) in the vicinity of the threshold voltage (hereinafter referred to as the set number) increases rapidly. On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 42, in this embodiment in which a plurality of variable resistance memories are connected in series and parallel, the resistance change with respect to the write bias voltage is almost linear. This indicates that the control of the resistance value is higher in the present embodiment. Therefore, the number of sets of the variable resistance memories R50a to R59n can be controlled by controlling the write bias voltage applied between the nodes n341 and n351 in FIG. As a result, the resistance values of the variable resistance memories R50a to R59n can be set in multiple stages. In addition, by designing a resistance change memory array in consideration of manufacturing variations, the relationship between the write bias voltage and the number of sets can be made more linear.

さらに、実施形態13では、可変抵抗メモリR50a〜R59nごとの選択トランジスタが不要となるため、可変抵抗メモリR50a〜R59nの並列数を増やすことが可能となる。さらにまた、一括で可変抵抗メモリR50a〜R59nの抵抗値を変更することが可能となるため、抵抗値の切替えを高速に行うことが可能となる。   Further, in the thirteenth embodiment, since the selection transistor for each of the variable resistance memories R50a to R59n is not necessary, it is possible to increase the parallel number of the variable resistance memories R50a to R59n. Furthermore, since the resistance values of the variable resistance memories R50a to R59n can be changed at once, the resistance values can be switched at high speed.

その他の構成、効果および動作は、他の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。   Since other configurations, effects, and operations are the same as those of the other embodiments, detailed description thereof is omitted here.

(実施形態13の変形例1)
実施形態13では、可変抵抗メモリR50a〜R59nを直並列に接続した場合を例示したが、この配列に限られるものではない。たとえば図43に示す抵抗素子R201Aのように、可変抵抗メモリR50a〜R59nを並列に接続した構成とすることでも、アレイごとの抵抗値の変更を確率的に制御することが可能である。
(Modification 1 of Embodiment 13)
In the thirteenth embodiment, the case where the variable resistance memories R50a to R59n are connected in series and parallel is illustrated, but the present invention is not limited to this arrangement. For example, it is possible to control the change of the resistance value for each array in a probabilistic manner by adopting a configuration in which the variable resistance memories R50a to R59n are connected in parallel like a resistance element R201A shown in FIG.

また、並列接続された可変抵抗メモリR50a〜R59nは、たとえば図44に示すように、上下に配置された電極E50およびE51間に可変抵抗メモリR50a〜R59nを2次元配列したレイアウトとすることが可能である。図44に示すレイアウトとすることで、可変抵抗メモリR50a〜R59nを配置する配線層を単層とすることが可能であるため、製造工程数を削減できる。   In addition, the variable resistance memories R50a to R59n connected in parallel can have a layout in which the variable resistance memories R50a to R59n are two-dimensionally arranged between the electrodes E50 and E51 arranged above and below, for example, as shown in FIG. It is. With the layout shown in FIG. 44, since the wiring layer in which the variable resistance memories R50a to R59n are arranged can be a single layer, the number of manufacturing steps can be reduced.

なお、可変抵抗メモリR50a〜R59nを並列接続した構成では、電流により抵抗値が切り替わる可変抵抗メモリを用いることも可能であるが、抵抗値の制御性を鑑みた場合、電圧値により抵抗値が切り替わる可変抵抗メモリを用いることが望ましい。   In the configuration in which the variable resistance memories R50a to R59n are connected in parallel, it is possible to use a variable resistance memory whose resistance value is switched by a current. However, in consideration of controllability of the resistance value, the resistance value is switched depending on the voltage value. It is desirable to use a variable resistance memory.

(実施形態13の変形例2)
また、図45および図46に示す抵抗素子R201Bのように、可変抵抗メモリR50a〜R59nを直列に接続した構成とすることでも、アレイごとの抵抗値の変更を確率的に制御することが可能である。
(Modification 2 of Embodiment 13)
Further, it is possible to control the change of the resistance value for each array in a probabilistic manner by adopting a configuration in which the variable resistance memories R50a to R59n are connected in series as in the resistance element R201B shown in FIGS. is there.

複数の可変抵抗メモリR50a〜R59nを直列に接続した場合、抵抗素子R201B全体の抵抗値は、いくつの可変抵抗メモリR50a〜R59nの抵抗値が変化したかに直接対応する。これは、抵抗値の制御性が高いことを意味している。また、高い制御性によって書込み制御を行う周辺回路の設計が容易となるため、回路面積の削減や制御処理時間の短縮が可能となる。   When a plurality of variable resistance memories R50a to R59n are connected in series, the resistance value of the entire resistance element R201B directly corresponds to how many resistance values of the variable resistance memories R50a to R59n have changed. This means that the controllability of the resistance value is high. In addition, since it is easy to design a peripheral circuit that performs write control with high controllability, it is possible to reduce the circuit area and the control processing time.

なお、可変抵抗メモリR50a〜R59nを直列接続した構成では、電圧値により抵抗値が切り替わる可変抵抗メモリを用いることも可能であるが、抵抗値の制御性を鑑みた場合、電流により抵抗値が切り替わる可変抵抗メモリを用いることが望ましい。   In the configuration in which the variable resistance memories R50a to R59n are connected in series, it is possible to use a variable resistance memory whose resistance value is switched depending on the voltage value. However, in view of controllability of the resistance value, the resistance value is switched depending on the current. It is desirable to use a variable resistance memory.

たとえば、N個の直列接続された可変抵抗メモリ全体の情報量“0”のときの抵抗値がR1であって情報量“1”のときの抵抗値がR2であり且つR2=k×R1の関係にあるとき、可変抵抗メモリ全体の抵抗値は、N×R1からN×k×R1の間で変化させることが可能である。具体的には、Nが100、R1が1kΩ、R2が2kΩのとき、k=2となり、抵抗値を100kΩから200kΩの間で変化させることが可能である。   For example, the resistance value when the information amount “0” of all N variable resistance memories connected in series is R1, the resistance value when the information amount is “1” is R2, and R2 = k × R1. When in the relationship, the resistance value of the entire variable resistance memory can be changed between N × R1 and N × k × R1. Specifically, when N is 100, R1 is 1 kΩ, and R2 is 2 kΩ, k = 2 and the resistance value can be changed between 100 kΩ and 200 kΩ.

また、たとえば抵抗値を100kΩにセットしておき、確率1%にて情報“0”(低抵抗)から情報“1”(高抵抗)へ抵抗値が変化するパルス(書込みバイアス電圧)を印加したとき、100個のうち1個の情報が書き換わる可能性があるので、抵抗値は101kΩになることが期待できる。150kΩの抵抗値が必要な場合には、確率50%で抵抗値が変化するパルス(書込みバイアス電圧)を印加すればよい。   For example, a resistance value is set to 100 kΩ, and a pulse (write bias voltage) whose resistance value changes from information “0” (low resistance) to information “1” (high resistance) with a probability of 1% is applied. Since one piece of information may be rewritten, the resistance value can be expected to be 101 kΩ. When a resistance value of 150 kΩ is required, a pulse (writing bias voltage) whose resistance value changes with a probability of 50% may be applied.

さらに、抵抗値が大きくなりすぎた場合には、その誤差を補正する方法として、情報“1”(高抵抗)から情報“0”(低抵抗)に書き換わるパルス(書込みバイアス電圧)を印加して、少しずつ抵抗値を下げればよい。誤差補正にあたっては、読出し電流をアナログデジタルコンバータでデジタル値に変換してもよいし、読み出したアナログ電流の電流値をそのまま基準抵抗を流れる電流と比較して制御してもよい。   Furthermore, when the resistance value becomes too large, a pulse (write bias voltage) for rewriting information “1” (high resistance) to information “0” (low resistance) is applied as a method of correcting the error. Then, you can lower the resistance value little by little. In error correction, the read current may be converted into a digital value by an analog-digital converter, or the read analog current value may be directly compared with the current flowing through the reference resistor.

上記実施形態およびその変形例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施形態が可能であることは上記記載から自明である。例えば実施形態に対して適宜例示した変形例は、他の実施形態と組み合わせることも可能であることは言うまでもない。   The above-described embodiment and its modifications are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited thereto, and various modifications according to specifications and the like are within the scope of the present invention. Furthermore, it is obvious from the above description that various other embodiments are possible within the scope of the present invention. For example, it is needless to say that the modification examples illustrated as appropriate for the embodiments can be combined with other embodiments.

1,2,3,4,5…撮像装置、11…画素アレイ、12…行選択回路(レジスタ)、13…タイミング発生回路、14…ADC、15…DSP、16…I/O、17…周辺回路、20…制御部、21…制御回路、23…バイアス発生回路、24…電圧制御回路、11a…受光部、11b…走査回路、11c…増幅回路、11A〜11N…画素セル、VR1,VR2,VR11,VR21…可変抵抗素子、M1〜M5,M10,M11…メモリ素子、C201,C202,C203…抵抗変化材、D201…絶縁体、E11,E12,E201,E202,E203,E50,E51,E50a〜E59(n−1)…電極、R1〜R10…抵抗素子、R11,R20〜R24,R30〜R39,R2a,R200a,R200b,R200c,R200d,R201〜R20n,R201A,R201B,R50a〜R59n…抵抗変化メモリ、SW11…切替トランジスタ、T…選択トランジスタ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2, 3, 4, 5 ... Image pick-up device, 11 ... Pixel array, 12 ... Row selection circuit (register), 13 ... Timing generation circuit, 14 ... ADC, 15 ... DSP, 16 ... I / O, 17 ... Peripheral Circuit 20, control unit 21, control circuit 23, bias generation circuit 24 voltage control circuit 11 a light receiving unit 11 b scanning circuit 11 c amplifier circuit 11 A to 11 N pixel cells VR 1, VR 2 VR11, VR21... Variable resistance element, M1 to M5, M10, M11... Memory element, C201, C202, C203. E59 (n-1) ... electrodes, R1 to R10 ... resistance elements, R11, R20 to R24, R30 to R39, R2a, R200a, R200b, R200c R200d, R201~R20n, R201A, R201B, R50a~R59n ... the resistance change memory, SW11 ... switching transistor, T ... selection transistor

Claims (7)

第1の配線と、
前記第1の配線から第1の分岐点で分岐する第2の配線を介して前記第1の配線に電気的に接続され、第1の受光素子及び第1の走査回路を有する第1の画素セルと、
前記第1の配線から前記第1の分岐点とは異なる第2の分岐点で分岐する第3の配線を介して前記第1の配線に電気的に接続され、第2の受光素子及び第2の走査回路を有する第2の画素セルと、
前記第2の配線上であって、前記第1の分岐点と前記第1の画素セルとの間に電気的に接続された第1の可変抵抗素子と、
前記第3の配線上であって、前記第2の分岐点と前記第2の画素セルとの間に電気的に接続された第2の可変抵抗素子と、
前記第1の配線上であって、前記第1の分岐点と前記第2の分岐点との間に電気的に接続された第3の可変抵抗素子と、
前記第1の分岐点に対して並列に接続され、それぞれ異なるトリガ信号に従って前記第1の分岐点の電位を記憶する複数の第1のメモリ素子と、
前記第2の分岐点に対して並列に接続され、それぞれ異なるトリガ信号に従って前記第2の分岐点の電位を記憶する複数の第2のメモリ素子と、
を備え、
前記第1〜第3の可変抵抗素子それぞれは、互いに並列接続された複数の抵抗素子を含む、
撮像素子。
A first wiring;
A first pixel electrically connected to the first wiring through a second wiring branched from the first wiring at a first branch point and having a first light receiving element and a first scanning circuit Cell,
The second light receiving element and the second light receiving element are electrically connected to the first wiring through a third wiring that branches from the first wiring at a second branch point different from the first branch point. A second pixel cell having a scanning circuit of
A first variable resistance element on the second wiring and electrically connected between the first branch point and the first pixel cell;
A second variable resistance element on the third wiring and electrically connected between the second branch point and the second pixel cell;
A third variable resistance element on the first wiring and electrically connected between the first branch point and the second branch point;
A plurality of first memory elements connected in parallel to the first branch point and storing the potential of the first branch point according to different trigger signals;
A plurality of second memory elements connected in parallel to the second branch point and storing the potential of the second branch point according to different trigger signals;
With
Each of the first to third variable resistance elements includes a plurality of resistance elements connected in parallel to each other.
Image sensor.
前記複数の抵抗素子のうち少なくとも1つは、抵抗値読出し用の2端子と、抵抗値書込み用の1端子とを含む3端子素子である、請求項1に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 1, wherein at least one of the plurality of resistance elements is a three-terminal element including a resistance value reading two terminal and a resistance value writing one terminal. 前記複数の抵抗素子のうち少なくとも1つは、直列、並列または直並列に接続された複数の抵抗変化メモリを含む、請求項1に記載の撮像素子。   The imaging element according to claim 1, wherein at least one of the plurality of resistance elements includes a plurality of resistance change memories connected in series, parallel, or series-parallel. 前記抵抗変化メモリは、ReRAM、MRAM、PRAM、イオンメモリ、アモルファスシリコンメモリおよびポリシリコンメモリのうち少なくとも1つを含む、請求項3に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 3, wherein the resistance change memory includes at least one of ReRAM, MRAM, PRAM, ion memory, amorphous silicon memory, and polysilicon memory. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記第1〜第3の可変抵抗素子のうち少なくとも1つの抵抗値を制御しつつ前記撮像素子から画像信号を読み出すように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第1〜第3の可変抵抗素子のうち少なくとも1つの抵抗値を第1の抵抗値として前記撮像素子から第1の画像信号を読み出した後、前記第1〜第3の可変抵抗素子のうちの前記少なくとも1つの抵抗値を第1の抵抗値とは異なる第2の抵抗値として前記撮像素子から第2の画像信号を読み出すように制御する撮像装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
A control unit that controls to read out an image signal from the imaging element while controlling at least one resistance value of the first to third variable resistance elements;
With
The control unit reads the first image signal from the imaging element using at least one of the first to third variable resistance elements as a first resistance value, and then reads the first to third variable resistance elements. An image pickup apparatus that controls to read out a second image signal from the image pickup element by setting the at least one resistance value of the variable resistance elements as a second resistance value different from the first resistance value.
前記第1の分岐点に対して並列に接続された前記複数の第1のメモリ素子のうちの第3のメモリ素子は、前記制御部が前記第1〜第3の可変抵抗素子のうち少なくとも1つの抵抗値を前記第1の抵抗値とした際の前記第1の分岐点の電位を前記第1の画像信号を構成する画素情報として記憶し、
前記第2の分岐点に対して並列に接続された前記複数の第2のメモリ素子のうちの第4のメモリ素子は、前記制御部が前記第1〜第3の可変抵抗素子のうち少なくとも1つの抵抗値を前記第1の抵抗値とした際の前記第2の分岐点の電位を前記第1の画像信号を構成する画素情報として記憶し、
前記第1の分岐点に対して並列に接続された前記複数の第1のメモリ素子のうちの前記第3のメモリ素子とは異なる第5のメモリ素子は、前記制御部が前記第1〜第3の可変抵抗素子のうち少なくとも1つの抵抗値を前記第2の抵抗値とした際の前記第1の分岐点の電位を前記第2の画像信号を構成する画素情報として記憶し、
前記第2の分岐点に対して並列に接続された前記複数の第2のメモリ素子のうちの前記第4のメモリ素子とは異なる第6のメモリ素子は、前記制御部が前記第1〜第3の可変抵抗素子のうち少なくとも1つの抵抗値を前記第2の抵抗値とした際の前記第2の分岐点の電位を前記第2の画像信号を構成する画素情報として記憶し、
前記第1の分岐点に接続された前記第3のメモリ素子及び前記第2の分岐点に接続された前記第4のメモリ素子から前記画素情報を読み出すことで、前記第1の画像信号が読み出され、
前記第1の分岐点に接続された前記第5のメモリ素子及び前記第2の分岐点に接続された前記第6のメモリ素子から前記画素情報を読み出すことで、前記第1の画像信号とは異なる平滑度の前記第2の画像信号が読み出される
請求項5に記載の撮像装置。
The third memory element of the plurality of first memory elements connected in parallel to the first branch point is at least one of the first to third variable resistance elements by the control unit. Storing the potential at the first branch point when the two resistance values are the first resistance values as pixel information constituting the first image signal;
Of the plurality of second memory elements connected in parallel to the second branch point, the fourth memory element has at least one of the first to third variable resistance elements controlled by the control unit. Storing the potential of the second branch point when one resistance value is the first resistance value as pixel information constituting the first image signal;
A fifth memory element different from the third memory element among the plurality of first memory elements connected in parallel to the first branch point is configured such that the control unit includes the first to first elements. A potential of the first branch point when at least one resistance value among the three variable resistance elements is set as the second resistance value is stored as pixel information constituting the second image signal;
A sixth memory element different from the fourth memory element among the plurality of second memory elements connected in parallel to the second branch point is configured such that the control unit includes the first to first elements. A potential of the second branch point when at least one resistance value of the three variable resistance elements is set as the second resistance value is stored as pixel information constituting the second image signal;
The first image signal is read by reading the pixel information from the third memory element connected to the first branch point and the fourth memory element connected to the second branch point. Issued,
What is the first image signal by reading the pixel information from the fifth memory element connected to the first branch point and the sixth memory element connected to the second branch point? The imaging apparatus according to claim 5, wherein the second image signal having different smoothness is read out.
半導体基板と、
前記半導体基板の上面において該上面と平行な面に設けられた第1及び第2の受光素子と、
前記第1の受光素子に接続された第1の走査回路と、
前記第2の受光素子に接続された第2の走査回路と、
前記半導体基板の前記上面上に位置する配線層と、
前記配線層に含まれる第1の配線と、
前記配線層に含まれ、前記第1の配線から第1の分岐点で分岐して前記第1の走査回路に接続された第2の配線と、
前記配線層に含まれ、前記第1の配線から第2の分岐点で分岐して前記第2の走査回路に接続された第3の配線と、
前記配線層に設けられ、前記第2の配線上であって、前記第1の分岐点と前記第1の走査回路との間に電気的に接続される第1の可変抵抗素子と、
前記配線層に設けられ、前記第3の配線上であって、前記第2の分岐点と前記第2の走査回路との間に電気的に接続される第2の可変抵抗素子と、
を備え、
前記第1及び第2の可変抵抗素子それぞれは、互いに並列接続された複数の抵抗素子を含む、半導体装置。
A semiconductor substrate;
First and second light receiving elements provided on a surface parallel to the upper surface of the upper surface of the semiconductor substrate;
A first scanning circuit connected to the first light receiving element;
A second scanning circuit connected to the second light receiving element;
A wiring layer located on the upper surface of the semiconductor substrate;
A first wiring included in the wiring layer;
A second wiring included in the wiring layer, branched from the first wiring at a first branch point, and connected to the first scanning circuit;
A third wiring included in the wiring layer, branched from the first wiring at a second branch point, and connected to the second scanning circuit;
A first variable resistance element provided in the wiring layer and on the second wiring and electrically connected between the first branch point and the first scanning circuit;
A second variable resistance element provided in the wiring layer, on the third wiring and electrically connected between the second branch point and the second scanning circuit;
With
Each of the first and second variable resistance elements includes a plurality of resistance elements connected in parallel to each other.
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